Projektbeschreibung
Fortschrittliche mathematische Methoden für eine bessere Modellierung komplexer Terahertz-Systeme
Mit der zunehmenden Komplexität von Systemen und Technologien müssen die Modelle, die für ihre Konzeption und Entwicklung maßgeblich sind, einen Spagat schaffen: sie müssen einerseits dieser Komplexität gerecht werden und andererseits zugleich die Rechenkosten in einem akzeptablen Rahmen halten. Der Terahertz-Frequenzbereich (THz-Frequenzbereich) des elektromagnetischen Spektrums – die vielleicht letzte Bastion, die es auf diesem Gebiet zu erobern gilt – eröffnet dem Ingenieurwesen neue Dimensionen von hochgradig nichtlinearem Verhalten und starker Strahlung. Die effiziente und präzise Modellierung solcher Systeme setzt die Anwendung von sogenannten Randelementmethoden im Zeitbereich (time-domain boundary element methods, TD-BEM) voraus. Diese sind aktuell allerdings noch nicht so weit ausgereift wie andere Ansätze. Das EU-finanzierte Projekt BET3D treibt die Entwicklung von TD-BEM voran, um eine neue Generation von THz-Technologien für die Anwendung in Kernfeldern wie Medizin, Sicherheit und Energie zu unterstützen.
Ziel
Modelling almost entirely replaced prototyping as a design methodology. In electromagnetics and optics, it has played a central role in the rapid development of communication and imaging, with applications in medicine, security, and energy. New technological requirements have always been met by breakthroughs in modelling.
Advances in THz technology have driven researchers to consider systems that are highly non-linear and strongly radiating. Modelling these systems requires methods that are based on time-stepping, and that can accurately describe unbounded regions. These requirements can only be met by time-domain boundary element methods (TD-BEMs). The use of other methods such as the finite element method, the method of moments, or the finite difference time-domain method – if at all applicable – results in unacceptable computational costs, and large errors in dispersion and radiation characteristics.
Unfortunately, TD-BEMs are not nearly as mature as other methods. They lack the ability to model all but the simplest systems. Attempts to use TD-BEMs to model realistic devices containing multiple materials, ports, coatings, or two-dimensional materials like graphene lead to instabilities, rendering the result of simulations completely useless. This state of affairs has persisted for over 50 years but has become an urgent problem now.
BET3D will aggressively accelerate the development of the time-domain boundary element method into a method that can model highly non-linear, strongly radiating systems and that unlocks the capability to model emerging technologies in THz communications and imaging, and beyond.
As part of the benchmarking and validation for this project, we will model the generation of THz radiation by an array of graphene resonant tunnelling diode oscillators, including feeds, ports, packaging, and antenna structure. Results of BET3D will enable modelling of non-linear, radiating systems, also in acoustics, elastodynamics, and fluid dynamics.
Wissenschaftliches Gebiet (EuroSciVoc)
CORDIS klassifiziert Projekte mit EuroSciVoc, einer mehrsprachigen Taxonomie der Wissenschaftsbereiche, durch einen halbautomatischen Prozess, der auf Verfahren der Verarbeitung natürlicher Sprache beruht. Siehe: https://op.europa.eu/en/web/eu-vocabularies/euroscivoc.
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