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1 Dr. R. Marklein - NFT II - SS 2003 Numerical Methods of Electromagnetic Field Theory II (NFT II) Numerische Methoden der Elektromagnetischen Feldtheorie II (NFT II) / 4th Lecture / 4. Vorlesung Universität Kassel Fachbereich Elektrotechnik / Informatik (FB 16) Fachgebiet Theoretische Elektrotechnik (FG TET) Wilhelmshöher Allee 71 Büro: Raum 2113 / 2115 D-34121 Kassel Dr.-Ing. René Marklein [email protected] http://www.tet.e-technik.uni-kassel.de http://www.uni-kassel.de/fb16/tet/marklein/index.html University of Kassel Dept. Electrical Engineering / Computer Science (FB 16) Electromagnetic Field Theory (FG TET) Wilhelmshöher Allee 71 Office: Room 2113 / 2115 D-34121 Kassel

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Dr. R. Marklein - NFT II - SS 2003

Numerical Methods of Electromagnetic Field Theory II (NFT II)

Numerische Methoden der Elektromagnetischen Feldtheorie II (NFT II) /

4th Lecture / 4. Vorlesung

Universität KasselFachbereich Elektrotechnik / Informatik

(FB 16)Fachgebiet Theoretische Elektrotechnik

(FG TET)Wilhelmshöher Allee 71Büro: Raum 2113 / 2115

D-34121 Kassel

Dr.-Ing. René [email protected]

http://www.tet.e-technik.uni-kassel.dehttp://www.uni-kassel.de/fb16/tet/marklein/index.html

University of KasselDept. Electrical Engineering / Computer Science

(FB 16)Electromagnetic Field Theory

(FG TET)Wilhelmshöher Allee 71

Office: Room 2113 / 2115D-34121 Kassel

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Dr. R. Marklein - NFT II - SS 2003

EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

inkSource /Quelle

O

PEC Cylinder / IEL Zylinder

( ) ( )r rr z

r 0

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r

2-D Case /2D-Fall

TMeK ( , )z r

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0r

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TM in0 e scj K ( , ) , d E ( , ),z zC S

G C

r r r r r r r

2-D PEC TM EFIE / 2D-IEL-TM-EFIE

This is a Fredholm integral equation of the 1. kind in form of a closed line integralfor the unknown electric surface current density for a known incident field. /

Dies ist eine Fredholmsche Integralgleichung 1. Art in Form eines geschlossenen Linienintegrals für die unbekannte elektrische Flächenladungsdichte für ein bekanntes einfallendes Feld.

(1)00

j( , ) H4

G k r r r r

cylrr

r

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3

Dr. R. Marklein - NFT II - SS 2003

EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

sc sc

TM in0 e scj K ( , ) , d E ( , ),z zC S

G C

r r r r r r r

2-D PEC TM EFIE / 2D-IEL-TM-EFIE

TM ine

V / A V / mA / m

( ) K ( ) E ( )z zZ

Matrix Equation / Matrixgleichung

Impedance Matrix /Impedanzmatrix

Electric Surface Current Density Vector /Elektrischer Flächenstromdichtevektor

Electric Field Strength Vector /Elektrischer Feldstärkevektor

Discretization via MoM /Diskretisierung durch MoM

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

sc sc

TM in0 e scj K ( , ) , d E ( , ),z zC S

G C

r r r r r r r

2-D PEC TM EFIE / 2D-IEL-TM-EFIE

TM ine

V / A V / mA / m

( ) K ( ) E ( )z zZ

Matrix Equation / Matrixgleichung

Discretization via MoM /Diskretisierung durch MoM

1TM ine

A / V V / mA / m

K ( ) ( ) E ( )z zZ

Solution of the Matrix Equation / Lösung der Matrixgleichung

Iterative Solution via Conjugate Gradient (CG) Method /Iterative Lösung durch Konjugierte Gradienten (KG) Methode

Problem: Large Impedance Matrix / Problem: Große Impedanzmatrix !

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

sc sc

TM in0 e scj K ( , ) , d E ( , ),z zC S

G C

r r r r r r r

2-D PEC TM EFIE / 2D-IEL-TM-EFIE

TM ine( ) K ( ) E ( )z zZ

TM ine 1 111 12 1TM in

21 22 2 e 2 2

TM in1 2 e

K ( ) E ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) K ( ) E ( )

( ) ( ) ( ) K ( ) E ( )×

z zN

N z z

N N NN N N zN zNN N

Z Z ZZ Z Z

Z Z Z

Matrix Equation / Matrixgleichung

Discretization via MoM /Diskretisierung durch MoM

Complex Symmetric N X N Matrix / Komplexe symmetrische N X N Matrix

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Dr. R. Marklein - NFT II - SS 2003

EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

sc sc

TM in0 e scj K ( , ) , d E ( , ),z zC S

G C

r r r r r r r

2-D PEC TM EFIE / 2D-IEL-TM-EFIE

sc sc

in in

TM TMe e

0

E ( , ) E ( ) 1,...,

K ( , ) K ( ) 1,...,

j , d , 1,...,r

r

r

r r r

z zm

z zn

mnC S

m N

n N

G Z m n N

TM ine 1 111 12 1TM in

21 22 2 e 2 2

TM in1 2 e

K ( ) E ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) K ( ) E ( )

( ) ( ) ( ) K ( ) E ( )×

z zN

N z z

N N NN N N zN zNN N

Z Z ZZ Z Z

Z Z Z

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

11 12 1

21 22 2

1 2

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

N

N

N N NN

Z Z ZZ Z Z

Z Z Z

Main Diagonal Elements / Hauptdiagonalelemente1. Flat Cell Approximation / Ebene-Zelle-Approximation 2. Power Series Expansion of the Hankel Function for Small Arguments / Potenzreihen-Approximation der Hankel-Funktion für kleine Argumente

Off Diagonal Elements / Nebendiagonalelemente1. Flat Cell Approximation / Ebene-Zelle-Approximation 2. Application of the Midpoint Rule / Anwendung der Mittelpunktsregel

We have to Consider Two Different Cases for the Elements of the Impedance Matrix / Man unterscheidet zwei Verschiedene Fälle für die Elemente der Impedanzmatrix

sc sc

TM in0 e scj K ( , ) , d E ( , ),z zC S

G C

r r r r r r r

2-D PEC TM EFIE / 2D-IEL-TM-EFIE

Main Diagonal Elements / Hauptdiagonalelemente

For / Für: (Self Cell / Eigenzelle)

Off Diagonal Elements / Nebendiagonalelemente

For / Für

r r

r r

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

TM TMe e sc sc

( )

K ( , ) K ( ), ( ) :

, ( ),

r r

r r r

r r r r

z z b e

s

s s C C s s s

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in TM0 e scE ( , ) j ( ), K ( ), d ( )

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G s s s C

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inkSource /Quelle

O

PEC Cylinder / IEL Zylinder

cylrr

( )srTMeK ( ),z s

r

inE ( , )z r

0r

s Contour Parameter = Integration Variable/Konturparameter = Integrationsvariable

( )

( )

Begin of Contour /Anfang der KonturEnd of Contour /Ende der Kontur

b eginn

e nd

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Rectangular Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an

einem ideal elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Rechteckimpuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

( ) ( )( ); ,n nn ebp s s s r

( )nbs ( )s r

( )nes

1( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )1

1( ) ( ); , otherwise /

0sonst

n neb

n n n neb

s s sB s p s s s

rRectangular Pulse

(or Piecewise-Constant) Function / Rechteckimpuls-Funktion

(oder stückweise konstante Funktion)

in TM0 e scE ( , ) j ( ), K ( ), d ( )

e

b

s

z zs s

G s s s C

r r r r r r

Basis Function Expansion using Rectangular Pulse Basis / Basisfunktionsentwicklung mit Rechteckimpulsfunktionen

inkSource /Quelle

O

PEC Cylinder / IEL Zylinder

( )sr

in0jin in

0E ( , ) E ( )ez z k rr

0r

n Integer Counter /Ganzzahliger Zähler

(5)( )r bs

(5)( )r es

TM(1)eK z

TM(3)eK z

TM(4)eK z

TM(2)eK z

TM(8)eK z

TM(7)eK z TM(6)

eK z

TM(5)eK z

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Rectangular Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an

einem ideal elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Rechteckimpuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

( ) ( )( ); ,n nn ebp s s s r

( )nbs ( )s r

( )nes

1( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )1

1( ) ( ); , otherwise /

0sonst

n neb

n n n neb

s s sB s p s s s

rRectangular Pulse

(or Piecewise-Constant) Function / Rechteckimpuls-Funktion

(oder stückweise konstante Funktion)

( )TM TM( ) ( ) ( )e e

1K ( ), K ( ); ,

Nnn n n

z z ebn

s p s s s

r r

( )

( )

in TM0 e sc

( )TM( ) ( ) ( )0 e sc

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TM( )0 e

1

E ( , ) j ( ), K ( ), d ( )

j K ( ), ( ); , d ( )

j K ( ), d ( )

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sNnn n n

z ebn s s

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G s s s C

G s p s s s s C

G s s

Basis Function Expansion using Rectangular Pulse Basis / Basisfunktionsentwicklung mit Rechteckimpulsfunktionen

Pulse Basis Expansion of / Pulsbasisentwicklung von

TMeK ( ),rz s

The Rectangular Pulse Function Workslike a Filter Function /

Die Rechteckimpuls-Funktion arbeitetwie eine Filterfunktion

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

( )

( )

in TM( )0 e

1E ( , ) j K ( ), d ( )

ne

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z zn s s

G s s

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(1)00

j( ), H ( )4

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( )

(1)in TM( )0 e 00

1

(1)TM( )0e 00

1

jE ( , ) j K H ( ) d ( )4

K H ( ) d ( )4

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

( )

( )

(1)in TM( )0e 00

1E ( , ) K H ( ) d ( )

4

ne

nb

sNn

z zn s s

k s s

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( )

( )

( )

( )

(1)in TM( )0e 00

1

( ) ( ) (1)in TM( )0e 00

1

( ) ((1)in TM( )0e 00

1

, E ( , ) , K H ( ) d ( )4

( ), E ( , ) ( ), K H ( ) d ( )4

E ( , ) K H4

ne

nb

ne

nb

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m z m zn s s

sNm m n

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Nm n

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w w k s s

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k

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( )

) ( ) d ( )

ne

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s s

r r

Testing Procedure with Delta Testing Functions /Testprozedur mit Delta-Testfunktionen

( )( ) ( )mmw r r r

, ,m mw f w gL

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

( )

( )

( ) ( )(1)in TM( )0e 00

1E ( , ) K H ( ) d ( )

4

ne

nb

sNm mn

z zn s s

k s s

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( )

( )

( )in in in

TM TM( ) TM( )e e e

( )(1)000

VE ( ) E ( , ) E ( , ) 1,...,mAK K K 1,...,m

V( ), H ( ) d ( ) , 1,...,4 A

r r

r r r r rne

nb

mzm z z

n nzn z z

sm

mns s

m N

n N

Z Z s k s s m n N

nth Element – nth Cell / n-tes Element – n-te Zelle

TM ine 1 111 12 1TM in

1 e

TM in1 2 e

K ( ) E ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) K ( ) E ( )

( ) ( ) ( ) K ( ) E ( )×

z zN

m mn mN zn zm

N N NN N N zN zNN N

Z Z ZZ Z Z

Z Z Z

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

( )

( )

( )(1)000H ( ) d ( ) , 1,...,

4r r r

ne

nb

sm

mns s

Z k s s m n N

where the Phase of the Hankel Function is given by / wobei die Phase der Hankel-Funktion geben ist über

TM ine 1 111 12 1TM in

1 e

TM in1 2 e

K ( ) E ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) K ( ) E ( )

( ) ( ) ( ) K ( ) E ( )×

z zN

m mn mN zn zm

N N NN N N zN zNN N

Z Z ZZ Z Z

Z Z Z

2 2( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )r rm m ms x x s y y s

where / wobei ( )r m determines the Phase center / das Phasenzentrum angibt

The Solution of this Contour Integral cannot Formulated in a Closed Form. We have to Introduce some further Approximations. /

Die Lösung dieses Konturintegrals kann nicht in einer geschlossenen Form angegeben werden. Wir müssen weitere Approximationen einführen.

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

( )

( )

( )(1)000H ( ) d ( ) , 1,...,

4r r r

ne

nb

sm

mns s

Z k s s m n N

=?

11 12 1

21 22 2

1 2

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

N

N

N N NN

Z Z ZZ Z Z

Z Z Z

Main Diagonal Elements / Hauptdiagonalelemente

For / Für: Self Cell / Eigenzelle

Off Diagonal Elements / Nebendiagonalelemente

For / Für

r r

r r

Main Diagonal Elements / Hauptdiagonalelemente1. Flat Cell Approximation / Ebene-Zelle-Approximation 2. Power Series Expansion of the Hankel Function for Small Arguments / Potenzreihen-Approximation der Hankel-Funktion für kleine Argumente

Off Diagonal Elements / Nebendiagonalelemente1. Flat Cell Approximation / Ebene-Zelle-Approximation 2. Application of the Midpoint Rule / Anwendung der Mittelpunktsregel

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

( )

( )

( )(1)000H ( ) d ( ) , 1,...,

4r r r

ne

nb

sm

mns s

Z k s s m n N

=?

11 12 1

21 22 2

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( ) ( ) ( )

N

N

N N NN

Z Z ZZ Z Z

Z Z Z

Main Diagonal Elements / Hauptdiagonalelemente1. Flat Cell Approximation / Ebene-Zelle-Approximation 2. Power Series Expansion of the Hankel Function for Small Arguments / Potenzreihen-Approximation der Hankel-Funktion für kleine Argumente

Main Diagonal Elements / Hauptdiagonalelemente

For / Für: Self Cell / Eigenzeller r

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inkSource /Quelle

O

PEC Cylinder / IEL Zylinder

( )sr

in0jin in

0E ( , ) E ( ) ez z k rr

0r

n Integer Counter /Ganzzahliger Zähler

(5)( )r bs

(5)( )r es

TM(1)eK z

TM(3)eK z

TM(4)eK z

TM(2)eK z

TM(8)eK z

TM(7)eK z TM(6)

eK z

TM(5)eK z

EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

Main Diagonal Elements / Hauptdiagonalelemente1. Flat Cell Approximation / Ebene-Zelle-Approximation

( )

( )

( )(1)000H ( ) d ( ) 1,...,

4

me

mb

sm

mms s

Z k s s m N

r r r

(5)(5) (5)

(5) ( )

e bs s

s s

r r

r r

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

Main Diagonal Elements / Hauptdiagonalelemente1. Flat Cell Approximation / Ebene-Zelle-Approximation

( ) ( )

( ) ( )

( )

( )(1) (1)0 00 0

2(1)

000

H ( ) d ( ) H d

2 H d

m me e

m mb b

m

s sm

s s s s

s

k s s k s s

k s s

r r r

( ) ( )m s s r r

Power Series Approximation of the Hankel Function for Small Arguments z /

Potenzreihenapproximation der Hankel-Funktion für kleine Argumente z

( )mesr

( )mbsr

( ) ( )ms s r r

( )sr( )mr

( )mbs s ( )

ems s

( )( ) ( ) mm me bs s r r

O

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

(1)0 00H ( ) J ( ) jN ( )?z z z

Milton Abramowitz, Irene A. Stegun (Editors):Handbook of Mathematical Functions,with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables.p. 1046, Dover Publications, New York, 1972.

www.amazon.de

Main Diagonal Elements / Hauptdiagonalelemente2. Power Series Expansion of the Hankel Function for Small Arguments / Potenzreihen-Approximation der Hankel-Funktion für kleine Argumente

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

(1)0 00H ( ) J ( ) jN ( )?z z z

2 40

2 40 0

10.5772 15664 90153 28606 06512

1J ( ) 1 ( )4

2 2 1N ( ) ln J ( ) ( )2 4

0.5772 15664 90153 28606 06512

e

e1.7810 72428 ...

z z z

zz z z z

O

O

[Abramowitz & Stegun, p. 360, Eq. 9.1.12]

[Abramowitz & Stegun, p. 360, Eq. 9.1.13]

[Abramowitz & Stegun, p. 3]Euler Constant /Eulersche Konstante

Main Diagonal Elements / Hauptdiagonalelemente2. Power Series Expansion of the Hankel Function for Small Arguments / Potenzreihen-Approximation der Hankel-Funktion für kleine Argumente

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

(1)0 00H ( ) J ( ) jN ( )?z z z

2

2 40

2 40 0

114

2 2 4

2 2 4

1J ( ) 1 ( )4

2 2 1N ( ) ln J ( ) ( )2 4

2 1 2 1ln 1 ( )2 4 4

2 1 2 1ln ln ( )2 4 2 4

2 1ln ln2 4 2

z

z z z

zz z z z

z z z z

z z z z z

z z

O

O

O

O

2 41 ( )z z

O

Main Diagonal Elements / Hauptdiagonalelemente2. Power Series Expansion of the Hankel Function for Small Arguments / Potenzreihen-Approximation der Hankel-Funktion für kleine Argumente

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

(1)0 00

2 2 4

2 2

2

H ( ) J ( ) jN ( )

1 2 11 j ln ln 1 ( )4 2 4 2

1 2 11 j ln ln 14 2 4 2

2 1 11 j ln j ln 12 4 2 2

z z z

z zz z z

z zz z

z z z

O

2 40

2 40

1J ( ) 1 ( )4

2 1N ( ) ln ln 1 ( )2 4 2

z z z

z zz z z

O

O

Finally we find for the Power Series Approximation of the Hankel Function for Small Arguments z /Letztendlich finden wir für die Potenzreihenapproximation der Hankel-Funktion für kleine Argumente z

Main Diagonal Elements / Hauptdiagonalelemente2. Power Series Expansion of the Hankel Function for Small Arguments / Potenzreihen-Approximation der Hankel-Funktion für kleine Argumente

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

( )

( )

( )

( )

( ) ( )

( )(1)00

2(1)

000

2

0

2 2

0 0

H ( ) d ( )

2 H d

22 1 j ln d2

2 22 1 j d j ln d2

me

mb

m

m

m m

sm

s s

s

s

s s

k s s

k s s

z s

zs s

r r r

(1) 20

2 1 1H ( ) 1 j ln j ln 12 4 2 2

21 j ln2

z zz z

z

Main Diagonal Elements / Hauptdiagonalelemente1. Flat Cell Approximation / Ebene-Zelle-Approximation 2. Power Series Expansion of the Hankel Function for Small Arguments / Potenzreihen-Approximation der Hankel-Funktion für kleine Argumente

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

( ) ( )( )

( )

2 2( )(1)

000 0

2 4H ( ) d ( ) 2 1 j d j ln d2

m mme

mb

sm

s ss s

zk s s s s

r r r

( )( )

2 2

00

( )

2 22 1 j d 2 1 j

21 j

mm

ss

m

s s

( )( )0

2 40

00 0

( )( ) 0

4 4 2j ln d j ln d2

2j ln 14

mm k

s

mm

k ss

k

k

ln d ln 1 0x x x x x

Main Diagonal Elements / Hauptdiagonalelemente1. Flat Cell Approximation / Ebene-Zelle-Approximation 2. Power Series Expansion of the Hankel Function for Small Arguments / Potenzreihen-Approximation der Hankel-Funktion für kleine Argumente

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

( )

( )

( )( )(1) ( ) ( ) 0

00

( )( ) 0

2 2H ( ) d ( ) 1 j j ln 14

21 j ln 14

me

mb

s mm m m

s s

mm

kk s s

k

r r r

( )

( )0 021 j ln 1 1,...,4 4

mm

mmk

Z m N

Main Diagonal Elements of the Impedance Matrix / Hauptdiagonalelemente der Impedanzmatrix

Main Diagonal Elements / Hauptdiagonalelemente1. Flat Cell Approximation / Ebene-Zelle-Approximation 2. Power Series Expansion of the Hankel Function for Small Arguments / Potenzreihen-Approximation der Hankel-Funktion für kleine Argumente

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

( )

( )

( )(1)000H ( ) d ( ) , 1,...,

4r r r

ne

nb

sm

mns s

Z k s s m n N

=?

11 12 1

21 22 2

1 2

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

N

N

N N NN

Z Z ZZ Z Z

Z Z Z

Off Diagonal Elements / Nebendiagonalelemente

For / Für r r

Off Diagonal Elements / Nebendiagonalelemente1. Flat Cell Approximation / Ebene-Zelle-Approximation 2. Application of the Midpoint Rule / Anwendung der Mittelpunktsregel

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

( )

( )

( ) ( )

( )(1)000

( ) ( )(1) ( )( )000

(1) ( ) ( )000

H ( ) d ( ) , 1,...,4

H4

H4

ne

nb

mn n

sm

mns s

m n nne b

r

mn n

Z k s s m n N

k s s

k r

r r r

r r r r

( ) ( )( )

2 2( ) ( ) ( ) ( )

m nmn

m n m n

r

x x y y

r r

Position Vector Points to the Midpoint of the nth Cell /Ortsvektor zeigt auf den Mittelpunkt der n-ten Zelle

( )nr

( )( ) ( ) nn ne bs s r r

Approximation of the Arc Length of the nth Cell /Approximation der Bogenlänge der n-ten Zelle

( )

( )

( )( )

( )

d ( )

ne

nb

snn

e bs s

n

s s s

r r r

Off Diagonal Elements / Nebendiagonalelemente1. Flat Cell Approximation / Ebene-Zelle-Approximation 2. Application of the Midpoint Rule / Anwendung der Mittelpunktsregel

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

(1) ( ) ( )000H

4mn n

mnZ k r

Off Diagonal Elements of the Impedance Matrix / Nebendiagonalelemente der Impedanzmatrix

( ) ( )( )

2 2( ) ( ) ( ) ( )

m nmn

m n m n

r

x x y y

r r

Off Diagonal Elements / Nebendiagonalelemente1. Flat Cell Approximation / Ebene-Zelle-Approximation 2. Application of the Midpoint Rule / Anwendung der Mittelpunktsregel

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

( )( )0

(1)0

( )TM TM( ) TM TM( ) ( ) ( )e e e e

1( )in in

21 j ln 14( )

4H ( )

K K K ( ), K ( ); ,

E ( ) E ( , )

nn

mn

mn

Nnn n n n

zn z z z ebn

mzm z

k m nZ

k r m n

s p s s s

r r

r

Elements of the Impedance Matrix /Elemente der Impedanzmatrix

TM ine( ) K ( ) E ( )z zZ

Matrix Equation / Matrixgleichung

sc sc

TM in0 e sc

scE ( , )

j K ( , ) , d E ( , ),z zC S

z

G C

rr

r r r r r r

2-D PEC TM EFIE / 2D-IEL-TM-EFIE

Discretization via MoM /Diskretisierung durch MoM

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

( )( )0

(1)0

21 j ln 14( )

4H ( )

nn

mn

mn

k m nZ

k r m n

Elements of the Impedance Matrix /Elemente der Impedanzmatrix

TM ine

V / A V / mA / m

( ) K ( ) E ( )z zZ

Matrix Equation / Matrixgleichung

1TM ine

A / V V / mA / m

K ( ) ( ) E ( )z zZ

Solution of the Matrix Equation / Lösung der Matrixgleichung

Iterative Solution via Conjugate Gradient (CG) Method /Iterative Lösung durch Konjugierte Gradienten (KG) Methode

Problem: Large Impedance Matrix / Problem: Große Impedanzmatrix !

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Diffraction of an EM Plane Wave on a Circular PEC Cylinder – TM Case / Beugung einer EM Ebenen Welle an einem kreisrunden IEL-Zylinder – TM-Fall

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Diffraction of an EM Plane Wave on a Circular PEC Cylinder – TM Case / Beugung einer EM Ebenen Welle an einem kreisrunden IEL-Zylinder – TM-Fall

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EM Scattering by a Perfectly Electrically Conducting Cylinder: EFIE Discretized in the 2-D TM Case with Pulse Basis and Delta Testing Functions / EM-Streuung an einem ideal

elektrisch leitendem Zylinder: EFIE diskretisiert im 2D-TM-Fall mit Impuls-Basisfunktionen und Delta-Testfunktionen

Calculation of the Scattered Field /Berechnung des Streufeldes

sc sc

sc TM 3sc0 eE ( , ) j K ( , ) , d , \z zC S

G C

rr r r r r r

inkSource /Quelle

O

PEC Cylinder / IEL Zylinder

( )sr

in0jin in

0E ( , ) E ( ) ez z k rr

0r

n Integer Counter /Ganzzahliger Zähler

(5)( )r bs

(5)( )r es

TM(1)eK z

TM(3)eK z

TM(4)eK z

TM(2)eK z

TM(8)eK z

TM(7)eK z TM(6)

eK z

TM(5)eK z

in sc 3scE ( , ) E ( , ) E ( , ), \z z z C r r r r

Calculation of the Total Field /Berechnung des Gesamtfeldes

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Diffraction of an EM Plane Wave on a Circular PEC Cylinder – TM Case / Beugung einer EM Ebenen Welle an einem kreisrunden IEL-Zylinder – TM-Fall

Real Part / Realteil Imaginary Part / Imaginärteil Magnitude / BetragIncident Field /

Einfallendes Feld

Scattered Field / Streufeld

Total Field / Gesamtfeld

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End of 4th Lecture /Ende der 4. Vorlesung