Computational Electromagnetics (CEM) elektromagnetik problemleri numerik olarak çözme disiplinine verilen isim. Daha yeni sayılır. Bilgisayarların hafızaları ve işlemci hızları büyüdükçe o da gelişiyor. Bundan 40 yıl önce 100×100 bir matrisi çözebiliyorlardı. Şimdi ise boyutu 1 milyar x 1 milyar olan sparse matrisleri çözebiliyorlar.
Nedir bu elektromagnetik problemler? Mesela bir filtre tasarlayacaksınız, cep telefonunuzda belli frekansları süzecek. Veya bir anten tasarlayacaksınız, birkaç bantta yayın alıp verecek. Bütün bu tasarımlar birer elektromagnetik problemdir. Yani bu disiplin elektrik cihazlarının tasarım ve analizlerinde kullanılıyor. Yıllar önce özellikle 1990 öncesi birşey tasarlanacaksa prototipi yapılıyor ve test ediliyordu. İşçilik maliyetleri çok arttığı için bu tür cihazlar çok pahalı idi. Ayrıca tasarım ve analizler çok uzun zaman alıyordu. Numerik elektromagnetik metodların geliştirilmesiyle bu sorunlar azalmaya başladı. Şu an elimizdeki bir laptop bilgisayarla bile CEM programları çalıştırılabilir ve bir Mikroşerit anten, filtre, veya kuplör çok hızlı tasarlanıp analiz edilebilir. Hatta optimizasyon metodlarıyla en iyi sonuç elde edilir. Artık üretime gönderildiğinde esas hedefe çok yakın sonuçlar elde edilir, devre üzerinde çok az değişiklik ister.
Bu manada artık CEM tasarım ve analiz konularında hem endüstride hem akademik camiada çok kullanılan bir yöntem olmuştur.
Nerelerde kullanılır?
Güç mühendisliğinde artık konular o kadar çalışılmıştır ki doyum noktasına gelinmiştir. RF Mikrodalga mühendisliğinde ise bu konu daha yeni sayılır. Mikrodalga devreleri, antenler hep CEM kullanılarak tasarlanır ve analiz edilir. Bir Radar kesit alanı bulmak veya Elektromagnetik uyumluluk (EMC) problemlerini çözmek için CEM çoğunlukla kullanılan bir yöntemdir.
Son yıllarda CEM konusunda çeşitli metodlar ve algoritmalar geliştirilmiştir. En bilinen ve kullanılan metodlar Method of Moments (MoM), Finite Differences (FDTD, FDFD, MRFD gibi), Finite Element Method (FEM).
Bunların arasında bu işin en babası, aslında metodların anası (Mother of Methods) MoM’dır. 1960’larda Roger Harrington tarafından geliştirilmiştir. Harrington, Ercüment Arvas, Tapan Sarkar, James C. Rautio gibi bilim insanlarını yetiştirmiştir.
MoM, Maxwell denklemlerini integral formunda kullanır. Özellikle açık bölge (open regions) problemlerinin çözümünde çok etkilidir. Saçılma problemleri (scattering) genelde bu metodla çözülmüştür.
FEM metodu ise daha çok time-harmonic problemlerde kullanılan bir metod olup, bütün problem sahasını üçgenlere ayırır.
FDTD (Finite Difference Time Domain) metodu ise daha çok Allen Taflove tarafından geliştirilmiş, fakat bütün hesaplama alanını Kartezyen hücrelere bölen bir metottur. Bu yüzden eğri yüzeyleri hesaplamak için hücre boyutu küçük seçilir ancak bu durumda problemin çözümü çok zaman alır. Eğer problemde hem küçük hem de büyük yapılar birlikte varsa, bu, işi biraz daha zorlaştırır.
Şu an piyasada birçok yazılım mevcut. Hepsi sorunu bir başka metodla çözüyor. Ancak problemin durumuna göre biri diğerinden daha avantajlı. İyi bir CEM mühendisi neyi seçeceğini bilir, ona göre tasarımını yapar.
Elektromagnetik mühendisliğinde en bilinen yazılımlar:
HFSS: High Frequency Structure Simulator
CST Microwave Studio:
AWR Microwave Office
Sonnet 2.5D MoM
WipL-D
ADS Agilent
