MET111: Wellenausbreitung

Kernmodule Elektrotechnik

MET111: Wellenausbreitung

Kurzporträt MET111: Wellenausbreitung
Worum geht es? In diesem Modul geht es darum, wie sich elektromagnetische Wellen in Leitungen, Wellenleitern, freien Räumen und komplexen Medien wie Atmosphäre und Ionosphäre ausbreiten. Ausgehend von den Maxwell-Gleichungen leiten Sie Feld- und Wellenphänomene her, dimensionieren einfache Antennen und Wellenleiter und modellieren Funkkanäle deterministisch, stochastisch oder per Raytracing.
Wofür braucht man es? Diese Kompetenzen werden benötigt, um Funk- und Übertragungsstrecken fundiert zu analysieren, zu entwerfen und zu verbessern, etwa im Mobilfunk, in der Satellitenkommunikation, bei Radaranwendungen oder in kabellosen Sensornetzwerken. Sie ermöglichen es, Effekte wie Dämpfung, Mehrwegeausbreitung und Fading realistisch einzuschätzen und in belastbare Systementwürfe zu übersetzen.
Wieso ist es interessant? Ob Mobilfunk, WLAN oder Satellitenverbindung – jede drahtlose Übertragung hängt davon ab, wie gut die zugrunde liegende Wellenausbreitung verstanden und modelliert wird. Wer wissen möchte, warum ein Funksignal an einer Stelle stark und wenige Meter weiter schwach ist, bekommt hier das physikalische und methodische Rüstzeug dafür.
Modulverantwortung

Prof. Dr. Christoph Degen

Lehrperson(en)

Prof. Dr. Christoph Degen

Verwendbarkeit

Master Elektrotechnik

Fächergruppe

Ingenieurwissenschaften

Modultyp
Wahlpflicht
Sprache

Deutsch

Angebot

Wintersemester

Dauer

1 Semester

Credits

5 ECTS

Benotung

Deutsche Notenskala 1-5

SWS

2 V | 1 Ü | 1 P | - S

Workload
Präsenzstudium: 45 Std. Selbststudium: 90 Std.
Engl. Titel

Wave Propagation

Empfohlene Voraussetzungen

Bachelor Elektrotechnik oder Bachelor Mechatronik

Lernergebnisse / Kompetenzen
WAS

Die Studierenden verstehen und beherrschen die grundlegenden und fortgeschrittenen physikalischen Mechanismen der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in unterschiedlichen Medien sowie deren Bedeutung für technische Übertragungsstrecken und moderne Funksysteme.

WOMIT

Die Studierenden erreichen dieses Lernergebnis, indem sie

  • die Maxwell-Gleichungen anwenden, um Felder und Wellenphänomene in einfachen und komplexen geometrischen Konfigurationen herzuleiten und zu analysieren,
  • Ausbreitung in Leitungen, Wellenleitern, freien Räumen und komplexen Medien modellieren,
  • Reflexion, Transmission, Absorption, Beugung, Brechung, Abschattung und Mehrwegeausbreitung mittels geeigneter Modelle und Näherungen beschreiben,
  • einfache Wellenleiter und Antennen dimensionieren und charakterisieren,
  • Ausbreitung durch Atmosphäre, Troposphäre und Ionosphäre bewerten und die resultierenden Effekte (Dämpfung, Dispersion, Streuung, Fading) quantifizieren,
  • Funkkanäle modellieren (deterministisch, stochastisch, 3D-Geometrie-, Raytracing- und parametrische Modelle).
WOZU

um komplexe Funk- und Übertragungssysteme fundiert analysieren, modellieren, entwickeln und verbessern zu können – sowohl im Forschungskontext als auch in industriellen Anwendungen wie Mobilfunk, Satellitenkommunikation, Radartechnik oder kabellosen Sensornetzwerken.

Inhalte
  • Grundlagen der theoretischen Elektrotechnik für die Wellenausbreitung: Herleitung zentraler Feld- und Wellengleichungen aus den Maxwell-Gleichungen; Elektromagnetische Feldgrößen, Energiedichte, Poynting-Vektor; ebene Wellen, phasen- und gruppenbezogene Ausbreitung; Polarisation und deren Transformationen
  • EM-Felder und -Wellen in technischen Strukturen: Leitungsmodelle, TEM-/TE-/TM-Wellen; Ausbreitungskonstanten, Impedanzen, Dämpfungsmechanismen
  • Standard-Antennen und -Arrays: Grundlagen der Strahlungsmechanismen; charakteristische Antennenkenngrößen (Gewinn, Richtdiagramm, Bandbreite, Effizienz); Lineare, flächige und adaptive Arrays; Kopplung zwischen Antennen und Ausbreitungsmedium
  • Ausbreitungsmedien und Ausbreitungskanäle: Freiraum, leitfähige Medien, Verluste, Rauschen; Atmosphärische und ionosphärische Effekte (Dämpfung, Absorption, Streuung, Refraktion); Reflexion, Transmission, Absorption, Beugung an Kanten, Streuung an rauen Flächen; Mehrwegeausbreitung, Fading-Phänomene (Rayleigh, Rice, Nakagami)
  • Messung und Erfassung von Ausbreitungskanälen: Channel Sounder; Raytracing
Prüfungsvorleistung

Keine

Prüfungsleistung

Klausur, 120 Minuten

Literatur
  • Marco Leone: Theoretische Elektrotechnik. Springer Vieweg, 2018.
  • Frank Gustrau: Angewandte Feldtheorie. Carl Hanser Verlag, 2018.
  • Frank Gustrau: Hochfrequenztechnik. Carl Hanser Verlag, 2022.
  • Heino Henke: Elektromagnetische Felder. Springer Vieweg, 2015.
  • Bernhard Rembold: Wellenausbreitung. Springer Vieweg, 2015.