Zweidimensionales TLM mit Java

Ein schneller Start

Wenn Sie das TLM-Simulationsprogramm nur kurz ausprobieren wollen, empfehle ich folgende Vorgehensweise:

Starten Sie, nachdem Sie die nächsten vier Punkte gelesen haben, das 2d-TLM-Programm mit einem Mausklick auf Start. Es wird eine neue Seite dargestellt, in der das 2d-TLM-Java-Applet geladen und angezeigt wird. Im oberen Hauptteil des Programmfensters wird ein Gitternetz dargestellt, in dem die zu berechnende Struktur angezeigt wird. Zunächst ist dieses Gebiet noch leer. Im nächsten Schritt muss eine Geometrie eingegeben werden.
Zum Eingeben der Struktur drücken Sie nun auf den Edit-Knopf in der Bedienleiste unterhalb des Simulationsgebiets. Es erscheint ein zweites Fenster, das Bedienfenster, das zum Editieren der Geometrie benötigt wird. Um diese Arbeit zu sparen, soll nun eine vorgefertigte Beispielstruktur eingelesen werden.
Betätigen Sie den Knopf load structure in der linken unteren Ecke des Bedienfensters. Es wird ein Auswahlfeld geöffnet. Wählen Sie darin den Dateinamen einer Beispielstruktur, z. B. example01.struct und drücken Sie Ok. Die gewählte Geometrie wird geladen und im Gitterfeld des 2d-TLM-Applets angezeigt.
Schließen Sie nun das Bedienfenster mit einem Druck auf den Done-Knopf.
Jetzt starten Sie die Simulationsrechnung mit einem Mausklick auf Run. Die zweidimensionale TLM-Rechnung wird gestartet. Im Gitterfeld wird jetzt zusätzlich zur Struktur der Feldverlauf im Simulationsgebiet angezeigt. Dabei werden die Feldamplituden in den einzelnen TLM-Zellen auf eine Farbskala umgesetzt. Die Anzeige läuft parallel zur Berechnung. So kann der zeitliche Verlauf des Feldes gut beobachtet werden.
Hier geht es los: 2d-TLM-Programm starten!
Bevorzugen Sie kleiner TLM-Zellen, so starten Sie das 2d-TLM-Programm mit kleineren Zellen!

Eingeben einer eigenen Struktur

Es ist nicht schwer eine eigene Struktur in das 2d-TLM-Programm einzugeben. Drücken Sie zunächst auf den Edit-Knopf. Es erscheint das Bedienfenster. Hier tragen Sie in die beiden Felder nx= und ny= die Breite und Höhe der gewünschten Gitters ein. Anschließend klicken Sie auf new/clear. Das Gitternetz im Hauptteil des Programmfensters wird sofort auf die angegebene Größe umgestellt und angezeigt. Eventuell vorhandene Strukturdaten, wie Wände und Medium werden gelöscht.

Jetzt können Sie Wände, Medium und Signalanregungen eingeben:

Wählen Sie nun den Typ einer Wand aus. Drücken Sie dazu auf den kleinen Knopf vor der Wandbezeichnung. Zur Auswahl stehen electric wall (eine ideal elektrisch leitende Wand), magnetic wall (eine ideal magnetisch leitende Wand) und s. absorbing wall, was für simple absorbing wall steht (eine einfach absorbierende Wand).

Nun können Sie mit der Maus Wände ins Simulationsgitter einzeichnen. Modellieren Sie Ihre Struktur. Sollten Sie dabei Wände entfernen wollen, selektieren Sie die entsprechende Wand mit einem kurzen Mausklick auf die Wandlinie. Die ausgewählte Wand wird in roter Farbe angezeigt. Wird das falsche Strukturelement angezeigt, müssen sie den Mausklick auf die gewünschte Wandlinie sooft wiederholen, bis die korrekte Wand rot markiert ist. Das ausgewählte Wandstück können sie nun mit einem Druck auf den Knopf delete item im Bedienfenster entfernen.

An einer elektrisch leitenden Wand wird die elektromagnetische Welle mit negativem Vorzeichen reflektiert. Im Gegensatz dazu reflektiert die magnetisch leitende Wand eine auftreffende Welle ohne Vorzeichenwechsel. Die einfach absorbierende Wand verschluckt eine auftreffende Welle. Dies klappt jedoch nur bei senkrechtem Einfall der Welle. Trifft die Welle schräg auf die absorbierende Wand, so entstehen störende Reflexionssignale, die durch das Anbringen von zusätzlichem verlustbehaftetem Medium vor der Wand gedämpft werden sollten.

Geben Sie jetzt das Medium ein. Aktivieren Sie dazu den Knopf medium im Bedienfenster und tragen die Mediendaten in die entsprechenden Textfelder ein. Bei eps_r muss die relative Dielektrizitätszahl und bei g_loss der Verlustfaktor eingegeben werden. Jetzt können Sie verschiedene Gebiete mit dem angegebenen Medium mit der Maus ins TLM-Gitter einzeichnen. Auch Mediengebiete können mit einem kurzen Mausklick selektiert werden. Die Umrandung des ausgewählten Gebiets wird rot markiert. Ein ausgewähltes Gebiet kann mit delete idem entfernt werden.

Ganz wichtig ist die Feldanregung. Wird die Feldanregung vergessen, bleiben alle Feldkomponenten im TLM-Gitter Null. Zur Feldanregung wählt man im Bedienfenster den gaussian pulse und trägt in das Feld t_max die Zeitschrittnummer ein, bei der der anregende Guaßpuls sein Maximum erreichen soll. Bei sigma trägt man das Sigma des Gaußpulses ein, und ampl erhält den Amplitudenwert. Als Faustregel sollte t_max mindestens dreimal so groß wie sigma sein. Jetzt kann das Anregungsgebiet mit der Maus ins TLM-Gitter eingetragen werden.

Mit dem Punkt observe field kann man Bereiche im Simulationsgebiet markieren, von denen der Feldverlauf in Dateien gespeichert werden soll. Dazu trägt man in das Feld filename den Dateinamen des Ergebnisfiles ein. Hier müssen zwei Möglickeiten unterschieden werden.
a) Der Dateinamen enthält ein %-Zeichen: Es wird nach jedem Zeitschritt der Simulation eine eigene Datei angelegt, die anstelle des %-Zeichens die Zeitschrittnummer trägt. Dieses Ausgabeformat eignet sich für größere Gebiete.
b) Der Dateiname enthält kein %-Zeichen: Es wird eine einzelne Datei mit diesem Namen angelegt, in die die Feldamplituden nach jedem Berechnungsschritt gespeichert werden. Dieses Ausgabeformat ist gut geeignet um Feldverläufe einzelner Zellen abzuspeichern.
Die Feldausgabe funktioniert nicht, wenn das 2d-TLM-Programm in einem WWW-Browser läuft. Um die Speicherfunktionen nutzen zu können, muss das Programm direkt in einem Java-Interpreter ausgeführt werden.

Die Parameter der verschiedenen Wände, Medien, Anregung und Feldbeobachtungsgebieten können leicht verändert werden. Dazu wird das entsprechende Objekt mit einem kurzen Mausklick ausgewählt, es wird dabei rot markiert. Nun kann im Bedienfenster z. B. der Wandtyp geändert oder die Medieneigenschaften neu eingetragen werden. Anschließend muss auf den apply-Knopf gedrückt werden. Jetzt besitzt das Objekt die veränderten Eigenschaften.

Läuft das 2d-TLM-Java-Programm direkt in einem Java-Interpreter, dann kann man die eingegebene Struktur mit einem Druck auf den save structure-Knopf in eine Datei speichern. Diese Dateien können später wieder gelesen und bearbeitet werden.

Nun schließen Sie das Bedienfenster mit einem Druck auf Done. Jetzt können Sie die Simulation mit dem Run-Knopf starten.

Simulationrechnung

Hat man die Simulationsberechnung mit einem Druck auf den Run-Knopf unterhalb der TLM-Gitters gestartet, können die folgenden Funktionen zur Steuerung der Simulationsrechnung und der Anzeige benutzt werden.
Mit Slower und Faster kann man die Geschwindigkeit der Berechnung beeinflussen. Der aktuelle Wert wird in dem Zahlenfeld zwischen den beiden Knöpden angezeigt. Sie können die Geschwindigkeit von 0 (sehr langsam) bis 100 (maximale Berechnungsgeschwindigeit) einstellen. Der Geschwindigkeitswert kann auch direkt in das Zahlenfeld eingetippt werden. So können Sie den Ablauf einer interessanten Wellenausbreitung bremsen und genauer verfolgen.
Mit einem Druck auf Pause hält die Simulationsrechnung an. Durch einen anschließenden Mausklick auf den gleichen Knopf, der jetzt aber mit Cont beschriftet ist, wird die Simulationsrechnung fortgesetzt. Möchte man die Feldberechnung abbrechen und neu starten, so muss zunächst der Pause-Knopf und anschließend der Restart-Knopf gedrückt werden. Damit wird der aktuelle Simulationsstand zurückgesetzt und die Simulationsrechnung neu gestartet.
Mit der Scale-Auswahl wird die Abbildung der Feldamplituden auf die Farbskala der Felddarstellung eingestellt. Prinzipiell werden die Feldkomponenten in den einzelnen TLM-Zellen auf eine Farbskala von Blau über Schwarz nach Gelb abgebildet. Blau entspricht dabei einer negativen Amplitude, bei Gelb ist die Feldamplitude positiv. Schwarz ist immer Null.
Für die Skalierung dieser Abbildung gibt es vier Möglichkeiten:

autoscale: Das Programm sucht bei jedem neu darzustellenden Feldverlauf die betragsmäßig größte Feldampitude und skaliert die Farbabbildung entsprechend. Das bedeutet, dass die Farbabbildung nach jedem Simulationsschritt geändert und angepasst wird.
scale=max: Bei dieser Einstellung wird auch nach jedem Berechnungsschritt die betragsmäßig größte Feldampitude gesucht. Ist dieser Wert größer als das vorherige Skaliermaximum, so wird auf den neuen Wert skaliert, ansonsten bleibt das vorherige Skaliermaximum bestehen. Die Farbabbildung wird also auf das Maximum der aktuellen und früheren Darstellungen eingestellt.
scale=min: Diese Einstellung funktioniert entsprechend der vorherigen. Der Unterschied ist, dass hier nicht auf das Maximum, sondern auf das Minimum skaliert wird.
scale=fix: Wählt man diesen Punkt, so wird die Skalierung der Feldabbildung auf dem aktuellen Wert festgehalten. Es findet keine weitere Skalierung statt.

Das Maximum der Abbildungsskalierung kann nicht kleiner als 0,05 werden.

Benutzung mit einem Java-Interpreter

Das 2d-TLM-Java-Programm ist nicht nur als Applet in einem Browser-Programm lauffähig, man kann es auch mit einem Java-Interpreter betreiben. In diesem Fall hat man nicht nur die bekannten Möglichkeiten zur Eingabe einer Geometrie und zur Simulation dessen Eigenschaften. Zusätzlich kann das Programm nun die Geometriedaten und Simulationsergebnisse speichern. Die Geometriefiles können vom Simulationsprogramm im Interpreter sowie in einem Browser gelesen werden.
Die gespeicherten Simulationsergebnisdaten können von anderen Programmen ausgewertet werden, da sie in Textdateien spaltenorientiert gespeichert sind. Für die Darstellung der Simulationsergebnisse ist z. B. Gnuplot gut geeignet.
Das vollständige Programm kann mit dieser Datei zweidtlm.zip geladen werden.
Packen Sie die Archivdatei in einem Unterverzeichnis Ihres Rechners aus. Achten Sie darauf, die langen Dateinamen nicht zu zerstören.
Starten Sie das 2d-TLM-Java-Programm mit

java zweidtlm

Internet Explorer-Fans geben

jview zweidtlm

im DOS-Fenster von Windows ein. Das Programm wird gestartet und öffnet die bekannten Fenster. Die Bedienung ist identisch zur Bedienung in einem Browser. Allerdings ist nun der Save Structure-Knopf funktionsfähig.
Die Gittergöße wird durch Angabe des Schalters -cs, gefolgt von der Gittergröße in Pixel, eingestellt. z. B.:

java zweidtlm -cs 6

Weitere Parameter können durch die Angabe von -h abgefragt werden.

Allgemeine Hinweise

kleinere TLM-Zellen
Um das TLM-Gitternetz mit kleineren TLM-Zellen anzuzeigen, und somit ein größeres Simulationsgebiet darzustellen, startet man das Programm hier: 2d-TLM mit kleineren Zellen starten. Es werden dabei die gleichen Programmdateien geladen. Hier ist jedoch der cellsize-Parameter im HTML-File auf einen kleineren Wert gesetzt.

Scrollbars
Offensichtlich unterscheiden sich die Scrollbars zwischen der Java-Version 1.0 und 1.1. Interessanterweise ist dieser Unterschied nicht von allen WWW-Browserprogrammen übernommen worden, die automatische Versionserkennung funktioniert also nicht immer. Sollte das 2d-TLM-Applet seine Scrollbars falsch anzeigen, d. h. es kann nicht der gesamte Gitterbereich betrachetet werden, oder das Simulationsgitter lässt sich zuweit aus seinem Fenster herausschieben, so bringt wahrscheinlich einer dieser beiden Links Abhilfe:

getestet
Bisher wurde das 2d-TLM-Java-Simulationsprogramm auf folgenden Systemen getestet:
MS Internet Explorer 3 (Windows 95), IE4 (Windows 95), Netscape 3 (Windows 95, Digital-Unix, Linux, HP-UX), Netscape Communicator 4 (Windows 95, Sun Sparc), JDK1.0.2 (Linux, Digital-Unix) und JDK1.1.1 (Linux).

Das Java-Programm startet nicht
Einige Browserprogramme verkraften es nicht, wenn die Umgebungsvariable CLASSPATH gesetzt ist. Oft werden dann die zum Betrieb von Java notwendigen Class-Dateien nicht gefunden und der Bildschirm bleibt leer. Es ist also empfehleneswert, die Umgebungsvariable CLASSPATH zu löschen und erst dann den Browser zu starten. Zum Löschen der Umgebungsvariablen geben Sie dazu z. B. in einer C-Shell auf Unix unsetenv CLASSPATH ein. (Die CLASSPATH-Variable wird üblicherweise für Java-Entwicklungsumgebungen, also Java-Kompiler und -Debugger benötigt.)

Green Threads
Unter seltenen Umständen, denen ich bisher noch nicht auf die Spur gekommen bin, verklemmt sich das Simulationsprogramm und blockiert das WWW-Browserprogramm. Dieser Effekt wurde nur mit Netscape 3 beobachtet, wenn die Simulationsgeschwindigkeit auf dem Maximalwert 100 eingestellt war. Hier empfiehlt es sich, die Geschwindigkeit auf höchstens 99 einzustellen.
Auf Systemen mit sog. native threads sind keine Probleme dieser Art bekannt.

Kommentare an: Bernhard Bader, FBH.

Was ist TLM?

TLM ist die Abkürzung für Transmission-Line-Matrix-Methode. Sie wird zur Untersuchung der Ausbreitung von elektromagnetischen Felder eingesetzt. Die TLM-Methode basiert dabei auf der Analogie zwischen der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen und der Ausbreitung von elektrischen Impulsen in Leitungsnetzwerken.

Wie in dem hier gezeigten Java-Programm, wird TLM meistens für Analysen im Zeitbereich eingesetzt. Dabei berechnet man die Feldverläufe in ihrem zeitlichen Ablauf. Leitungsstrukturen oder Bauteile, deren Eigenschaften (z. B. Transmissions- und Reflexionsfaktoren, Streuparameter) bestimmt werden sollen, werden im TLM-Gitter nachgebildet und ihr Einfluss auf die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen beobachtet. TLM ist dabei nicht auf die Untersuchung zweidimensionaler Strukturen beschränkt. Es ist leicht möglich TLM für die Analyse dreidimensionaler Strukturen anzuwenden.

Um genauere Informationen über die dreidimensionale TLM-Methode und ihre Weiterentwicklung zur Alternating-Transmission-Line-Matrix-Methode (ATLM) zu erhalten, lesen Sie bei der Untersuchung der ATLM-Methode weiter.