Schnelle Analyse und Optimierung von Substratintegrierten Wellenleitern (SIW) Antennen mit der Konturintegralmethode (CIM)

Basierend auf früherer Forschung und bereits vorhandenen Simulationstools des TET-Institutes haben wir eine schnelle Simulationsmethode für Felder auf den Berandungen eines Standard-SIW-Hornes und für dessen abgestrahlte Felder entwickelt. Dieser kombinierte/hybride Ansatz aus CIM und Momentenmethode (MoM) ist in Abb. 1 gezeigt,

 Illustration der Hauptschritte der entwickelten Methode, mit welcher SIW-Horn-Antennen berechnet werden.

Nach Berechnung der Eigenschaften der planaren (passiven) Schaltung mit der CIM und Terminierung der Tore entsprechend angemessener/sinnvoller Randbedingungen, wird ein modales Tor mittels Post-Processing eingeführt. Danach wird die Abstrahlung durch die Konkatenierung einer Matrix dargestellt, welche mit einem MoM-Code für Magnetströme auf Drähten berechnet wird. Das Ergebnis ist die Eingangsimpedanz für das modale Tor, welches Ähnlichkeit mit einem Tor eines Rechteckhohleiters hat, siehe Abb.2. Die ermöglicht auch die Berechnung der Spannungsverteilung auf dem Rand, welche wiederum für die Berechnung der abgestrahlten Felder in Form von Strahlungsdiagrammen genutzt werden kann, siehe Abb. 2. Die hybride CIM/MoM-Method ist um etwa zwei bis drei Größenordnungen schneller als Finite Elemente-Simulationen.

 Beispielstruktur, Eingangsimpedanz

Finanzierung: Alexander von Humbold Stiftung
Kontakt: Dr. Lei Wang

Feldinteraktion mit nichtlinear beladenen Strukturen

Ziel dieses Projektes ist es, an der Schnittstelle von drei verschiedenen Forschungsgebieten teilzunehmen:

  1. Physik der elektromagnetischen Feldinteraktion mit nichtlinear beladenen, elektrisch großen
    Strukturen und Oberflächen,
  2. neuartige technische Anwendungen für solche Strukturen und Oberflächen, und
  3. effiziente und stabile numerische Modellierung und Simulation solcher Strukturen und Oberflächen.

Während – zumindest im Prinzip – jedes Funkübertragungssystem ein Beispiel für die Anwendung von Elektromagnetische Feldwechselwirkung mit einer nichtlinear beladenen Struktur (Antenne verbunden mit Eingangsstufe einschließlich z.B. Mixer und Verstärker) und als solche gut verstanden ist und mit existierenden Werkzeugen entworfen werden kann, ist es die massive Beladung, d.h. die Verbindung von mehreren hunderten von nichtlinearen Lasten über einer elektrisch große Fläche, die neue Herausforderungen und Chancen für die Forschung bietet.Anwendungen, die für diese Art von Strukturen und Oberflächen vorgesehen sind oder bereits betrachtet wurden, umfassen energieselektive wellenformabhängige Absorption, Selbstfokussierung von Oberflächenwellen, HF-Begrenzung, Subwellenlängenabbildung, nichtlinearem Radar und Umschalten und Zeitdomänenfenstern u.A..

Das Forschungsprojekt wird in Kooperation mit Prof. Grivet-Talocia vom Institut für Elektronik und Telekommunikation Politecnico di Torino (POLITO), Italien, durchgeführt.Das Team von Prof. Grivet-Talocia verfügt über Kompetenzen in den Bereichen der Makromodellierung und schnellen Schaltungssimulationen, die beide für dieses Projekt unerlässlich sind.
Die EMC-Gruppe am POLITO hat große Beiträge sowohl in der Theorie als auch in der Anwendung von Makromodellierungstechniken für elektrische und elektromagnetische Systeme geleistet.Prof. Grivet-Talocia ist Co-Autor des ersten Buches über Passive Macromodeling [02], zusammen mit Dr. Gustavsen.Seit 2001 haben Prof. Grivet-Talocia und seine Gruppe das Tool IdEM, eine Sammlung von State-of-the-Art-Algorithmen für das Generieren von Makromodellen, entwickelt.

Box mit nichtlinear geladenem Gitter über der Blende. Alle Seiten der Box sind a = 50 cm, die quadratische Öffnung ist b = 25 cm und der Port Abstand beträgt c = 6,25 cm. Das Raster besteht aus Streifen mit Streifenbreite 2 mm. Die neun Ports sind mit antitiparallelen Dioden abgeschlossen und schaffen einen feldabhängige Abschirmung. Eine Gaußscher Puls mit ebenen Wellenfronten trifft auf die Struktur. Das Streufeld wird an Beobachtern innerhalb und außerhalb der Kavität gemessen (Beobachter nicht angezeigt).

(a): maximale elektrische Feldstärke an einem einzelnen Beobachter im Inneren der in Fig. 1 dargestellte Box für unterschiedliche Anregungsamplituden.
(b): Shielding Effectiveness der gleichen Struktur in Abhängigkeit von der Einfallsfeldamplitude für verschiedene Beobachter innerhalb der Box, wobei jede Kurve einer anderen Position entspricht, wie durch die Markierungen im Piktogramm oben rechts angegeben.

Finanzierung: DFG
Kooperationspartner: Department of Electronics and Telecommunications
Politecnico di Torino (POLITO)
Torino, Italy
Kontakt: Torben Wendt, M. Sc.

Quellen:[01] C. Yang, H.-D. Brüns, P. Liu, C. Schuster, “Impulse Response Optimization of Band-Limited Frequency Data for Hybrid Field-Circuit Simulation of Large-Scale Energy-Selective Diode Grids”, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 58, NO. 4 (2016).[02] S. Grivet-Talocia and B. Gustavsen, Passive Macromodeling: Theory and Applications. New York: John Wiley and Sons (2016).

Erweiterung der Möglichkeiten des linearen Netzwerkprogramms CONCIRC

Heinz-D. Brüns, Angela Freiberg, 01.10.18-31.01.19

In der Praxis ist es in vielen Fällen hilfreich, Systemantworten nicht nur als Funktion der Frequenz darstellen zu können. Das Programm wurde deshalb dahingehend erweitert, dass alle Ausgaben nun auch als Funktion variierender Elementwerte zu berechnen sind, wobei betont werden muss, dass sämtliche Eingabegrößen parametrisiert werden können, also neben den Standardwerten R,L,C zum Beispiel auch die induktiven oder kapazitiven Leitungsbeläge, die Wellenwiderstände oder die Steuergrößen von gesteuerten Strom- oder Spanungsquellen.

Das obere Bild zeigt eine einfache stromgespeiste Schaltung eines Parallelschwingkreises. Zu erkennen ist, dass die Schaltungselemente R1, L1 und C1 in bestimmten Wertebereichen verändert werden sollen. Im Beispiel werden jeweils 10 Parameterwerte angenommen. Da gleichzeitig auch die Frequenz mit über 90 Schritten zu bearbeiten ist, sind für die gezeigte Schaltung schon über 90000 Datensätze abzuspeichern, was im h5-Datenformat geschieht. Die grafische Ausgabe beliebiger Abhängigkeiten ist in einfacher Weise ermöglicht.

Darüber hinaus wurde auf der Basis des unterlegten MNA-Algorithmus die Berechnung von S-Parametern ermöglicht. Dazu wurde ein spezielles Port-Element geschaffen. Die zu untersuchende Schaltung darf insofern sämtliche im Programm zur Verfügung stehenden Elemente enthalten, allerdings keine aktiven Strom oder Spannungsquellen. Das folgende Bild zeigt als Beispiel die berechneten S-Parameter eines Wilkinson Leistungsteilers, der für eine Frequenz von 100 MHz ausgelegt wurde.

Heinz-D. Brüns, Angela Freiberg, 20.09.17-20.12.17

Nachdem das Netzwerkprogramm CONCIRC zum Download freigegeben worden war, sind zahlreiche Vorschläge zur Erweiterung und Verbesserung des Tools bei den Entwicklern eingegangen. Auf der Grundlage dieser Vorschläge wurde u.a. die grafische Ausgabe erweitert um:

  • Bode-Diagramme
  • Ortskurven

Zahlreiche Einstellungen ermöglichen es, eine optimale Kurvenausgabe zu erzielen.
Die folgenden Bilder zeigen zwei Beispiele:

Bode-Diagramm der komplexen Impedanz einer Schaltung (Quelle: TET, TUHH).

Komplexer Leitwert einer Schaltung mit der Frequenz als Parameter (Quelle: TET, TUHH).

Darüber hinaus wurden eingeführt:

  • Nicht idealer Transformator mit den Elementen L1, L2, M12
  • Erweiterung der stromgesteuerten Spannungsquelle zur Modellierung magnetisch gekoppelter Kreise
  • Ausgabe aller Größen in dB
  • Einlesen der Kontrolldaten der gesteuerten Quellen aus Datei
  • Werte für Strom- und Spannungsquellen aus Datei
  • Direkte Eingabe von komplexen Impedanzen

Erweiterung der Konturintegralmethode für die stochastische Modellierung von Wellenleiter-Strukturen

Doktorarbeit Jan Birger Preibisch, 01.02.2013 – 30.06.2017

Elektromagnetische Felder innerhalb von Leiterplatten, substratintegrierten Wellenleitern, sowie orthogonal gestreute Felder unendlich ausgedehnter Strukturen breiten sich in Ebenen aus. In dieser Arbeit wird die Kontourintergralmethode (CIM) erweitert, um Leiterplatten und planare Hochfrequenzbauelemente, sowie optische Bauelementen in TE- und TM-Polarisation zu simulieren. Das Einkoppeln in die planaren Strukturen wird mittels physikalisch motivierter Ersatzschaltungsmodelle modelliert. Zur Handhabung stochastischer
Formulierungen dieser Modelle wurde die polynomielle Chaos Zerlegung (PCE) verwendet. Algorithmen und Methoden zur schnellen und aussagekräftigen Analyse wurden entwickelt. Sämtliche Erweiterungen und Methoden wurde anhand von modernsten Anwendungsbeispielen aus der Praxis validiert.

Die elektrische Feldstärke in einem dielektrischen Ringresonator mit einem Metallkern aufgebaut in substratintegrierter Wellenleitertechnologie bei 2.05 GHz berechnet mit CIM (Quelle: TET, TUHH).

Die elektrischen Feldstärke in einem Ringresonator eingebettet in einer photonischen Kristallstruktur bei einer Wellenlänge von 1562 nm berechnet mit CIM (Quelle: TET, TUHH).

Relevante Publikationen:

Jan Birger Preibisch

Extension of the Contour Integral Method for Stochastic Modeling of Waveguiding Structures Promotionsarbeit

2017, ISBN: 978-3-8440-5402-6.

Torsten Reuschel, Jan Birger Preibisch, Christian Schuster

Efficient Design of Continuous Time Linear Equalization for Loss Dominated Digital Links Workshop

IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Lake Maggiore (Baveno), Italy, May 7-10, 2017.

Links

Jan Birger Preibisch, Jayaprakash Balachandran, Torsten Reuschel, Katharina Scharff, Bidyut Sen, Christian Schuster

Exploring Efficient Variability-Aware Analysis Method for High-Speed Digital Link Design Using PCE Inproceedings

UBM DesignCon Conference, Santa Clara, CA, USA, January 31 – February 2, 2017.

Jan Birger Preibisch, Piero Triverio, Christian Schuster

Design Space Exploration for Printed Circuit Board Vias Using Polynomial Chaos Expansion Inproceedings

IEEE Signal and Power Integrity Conference (SIPI) 2016, Ottawa, ON, Canada, July 25-29, 2016.

Links

Jan Birger Preibisch, Torsten Reuschel, Katharina Scharff, Christian Schuster

Impact of Continuous Time Linear Equalizer Variability on Eye Opening of High-Speed Links Inproceedings

IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Turin, Italy, May 8-11, 2016.

Links

Jan Birger Preibisch, Christian Schuster

Extension of the Contour Integral Method for the Modeling of TE Scattering in Two-Dimensional Photonic Structures Using the Duality Principle Inproceedings

2016 10th International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics (METAMATERIALS) Crete, Greece, 2016.

Links

Jan Birger Preibisch, Piero Triverio, Christian Schuster

Efficient Stochastic Transmission Line Modeling Using Polynomial Chaos Expansion with Multiple Variables Inproceedings

2015 IEEE MTT-S International Conference on Numerical Electromagnetic and Multiphysics Modeling and Optimization (NEMO), Ottawa, Canada, August 11-14, 2015.

Links

Jan Birger Preibisch, Andreas Hardock, Christian Schuster

Physics-Based Via and Waveguide Models for Efficient SIW Simulations in Multilayer Substrates Artikel

IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques , 63 (6), 2015.

Links

Jan Birger Preibisch, Piero Triverio, Christian Schuster

Sensitivity Analysis of Via Impedance using Polynomial Chaos Expansion Inproceedings

2015 IEEE 19th Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Berlin, Germany, May 10-13, 2015.

Jan Birger Preibisch, Xiaomin Duan, Christian Schuster

An Efficient Analysis of Power/Ground Planes With Inhomogeneous Substrates Using the Contour Integral Method Artikel

IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 56 (4), 2014.

Links

Jan Birger Preibisch, Xiaomin Duan, Christian Schuster

Extensions to the Contour Integral Method for Efficient Modeling of TM Scattering in Two-Dimensional Photonic Crystals Inproceedings

7th International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics (Metamaterials’2013), Bordeaux, France, September 16-13, 2013.

Links

Validierung numerischer Methoden mittels vergleichender Analyse kanonischer Probleme der Elektromagnetik

Sangwook Park, M. Sc., (Ajou Universität, Süd Korea) 26.08.2015 – 11.08.2016

Heutzutage werden verschiedenste Feldrechenprogramme zur Lösung dreidimensionaler elektromagnetischer Aufgabenstellungen eingesetzt. Die bekanntesten Vertreter sind die Finite-Elemente-Methode (FEM), die Momentenmethode (MoM), die Finite-Differenzen-Methode im Zeitbereich (FDTD), die Finite-Integral-Methode (FIT) und die Transmission-Line-Matrix-Methode (TLM). Mit allen genannten Verfahren wurde bereits eine große Vielfalt elektromagnetischer Problemstellungen behandelt und erfolgreich gelöst. Es ist sehr wohl bekannt, dass die Qualität der auf numerischem Wege erzielten Resultate von einer Reihe von Faktoren abhängt, z.B. von einer ausreichenden Diskretisierung der zugrundeliegenden Strukur und des Setzen absorbierender Randbedingungen. In diesem Zusammenhang hat jedes Verfahren seine spezifischen Anforderungen was die Rechengebietsabgrenzung, das Setzen von Toren oder die Wahl der Gitterlelemente betrifft. Alle Eingabegrößen müssen sorgfältig gewählt werden, um genaue Resultate zu erhalten. In der Praxis erweist es sich oft als kompliziert, alle Bedingungen zu erfüllen, was zu „unscharfen“ Ergebnisse führen kann. Hier stellt sich dann die Frage, wie die Resultate zu validieren sind.

Basierend auf dem IEEE-Standard 1597 “Standard for Validation of Computational Electromagnetic Computer Modeling and Simulation” werden in diesem Projekt verschiedene Beispiele untersucht. Das Ziel ist, herauszufinden, wie sich unterschiedliche Löser im gegenseitigen Vergleich bei identischen Aufgabenstellungen verhalten. Dabei sollen kanonische Probleme wie eine Dipolantenne, eine dicker Monopol auf einer endlichen Platte und eine quaderförmige Kavität mit Aperturen betrachtet werden, und zwar bei Anwendung zweier kommerzieller Programme (basierend auf der FEM und der FIT) und dem institutseigenen Programm CONCEPT-II (basierend auf der MOM). Dieses Projekt soll die Bedingungen benennen, die nötig sind, um valide Lösungen in den genannten Fällen zu erhalten.

Fernfeldverteilung einer dünnen Dipolantenne der Länge 0,3m und einer Orientierung entlang der z-Achse simuliert bei 5 GHz mit CONCEPT-II. (Quelle: TET, TUHH).

Numerische Resultate für die Eingangsimpedanz der mit drei verschiedenen Methoden simulierten Dipolantenne. (Quelle: TET, TUHH).

MoM-basierte Berechnung von Leitungsparametern für Mehrfachleitungen

Heinz-D. Brüns, Angela Freiberg. 01.07.2015 – 30.06.2016

Die Hauptaufgabe des Programms CONMTL besteht darin, die Leitungsparameter-Matrizen L‘, C‘, G‘ und R‘ zu berechnen, und zwar für Mehrfachleitungen mit beliebigem Querschnitt. Das Programm gründet sich auf der Momentenmethode (MoM) mit deren Hilfe eine 2D-Integralgleichung für elektrostatische 2D-Probleme numerisch gelöst wird. Diese Integralgleichung lässt sich aus der entsprechenden Poissongleichung der Elektrostatik herleiten. In einem ersten Schritt werden äquivalente Ladungsverteilungen berechnet. Dazu erfolgt die Unterteilung der Leiterquerschnitte und der dielektrischen Grenzen in eine ausreichende Anzahl gerader Segmente. Über jedem Segment wird eine konstante Ladungsfunktion definiert. Randbedingungen, die es zu erfüllen gilt, sind das konstante Potential auf den metallischen Leitern und die konstante Normalkomponente für den elektrischen Fluss an dielektrischen Grenzen. Auf diese Weise lässt sich die Integralgleichung in ein lineares Gleichungssystem konvertieren. Die Lösung des Gleichungssystems ergibt dann eine Approximation der gesamten Ladungsverteilung, sowohl auf den Leitern als auch auf den Rändern der Dielektrika. Diese Gesamtladungsverteilung ist dann nötig, um die erwähnten Leitungsparameter ermitteln zu können. Umfassende grafische Möglichkeiten bestehen, um die Ladungsverteilung auf allen Querschnittsbereichen und die E-Feldverteilung im Querschnitt zum Zwecke der Validierung begutachten zu können. Nach Eingabe der Leitungslänge kann die Y-Parametermatrix auf der Grundlage der Mehrfachleitungstheorie berechnet werden. Schließlich lassen sich auch die S-Parameter als Funktion der Frequenz bestimmen.

CONCEPT-II CONCIRC GUI

Grafische Nutzeroberfläche (Bildquelle: TET, TUHH)

Erstellung eines linearen Netzwerkanalyseprogramms

Heinz-D. Brüns, Angela Freiberg. 01.07.2014 – 30.06.2015

Das Programm CONCIRC wurde am Institut für Theoretische Elektrotechnik an der technischen Universität Hamburg-Harburg entwickelt. CONCIRC ist ein lineares Netzwerkanalyseprogramm mit allen grundlegenden Funktionen, um die Studenten der Vorlesung „Grundlagen der Elektrotechnik II“ zu unterstützen. CONCEPT-II-Nutzer können Ports mit Lastelementen belegen. Y-Parameter können in verschiedenen Formaten gelesen werden. Das Graphikprogramm „Gnuplot“ wird zur Darstellung von frequenzabhängigen Verläufen von Spannungen, Strömen oder Imdedanzen benutzt und muss zusätzlich installiert werden. (Gnuplot ist nicht Teil von CONCIRC.)

Picture of CONCEPT-II CONCIRC GUI

Grafische Nutzeroberfläche (Bildquelle: TET, TUHH)

Schnelle direkte Löseverfahren auf Basis von H-Matrix Algorithmen zur Elektromagnetischen Feldrechnung

Promotions Alexander Vogt, 01.02.2014 – 30.06.2015

In diesem Projekt wurden schnelle direkte Löseverfahren auf Grundlage der hierarchischen (H-) Matrizen untersucht und erweitert, um damit elektromagnetische Problemstellungen mit beliebigen Randbedingungen berechnen zu können. Das Ziel des Projekts ist es, ein Löseverfahren auf Grundlage der Momentenmethode (MoM) zu entwickeln, das sich für einen großen Bereich von Problemen in der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) anwenden lässt.

Besonders interessant sind solche Löseverfahren für hochresonante Strukturen, wie sie in Computer (PC) Systemen zu finden sind, da etablierte iterative Verfahren hier typischerweise ein schlechtes Konvergenzverhalten aufweisen. Darüber hinaus beinhalten solche Systeme häufige viele interne Komponenten auf engstem Raum, was zu aufwändigen Simulationsaufbauten führt. Hierbei handelt es sich unter anderem um dämpfende Materialien, Leiterplatten, Kabel und strukturelle Komponenten. Diese werden in immer kleineren metallischen Gehäusen untergebracht was zu hochkomplexen Feldverteilungen im Inneren der Kavitäten führt. In diesem Fall sind klassische Beschleunigungsverfahren auf Basis von Multipol-Entwicklungen der Fernfeld-Anteile nicht praktikabel und algebraische Verfahren wie die adaptive Kreuzapproximation (ACA) sind erforderlich. Die daraus abgeleiteten H-Matrizen können genutzt werden, um effizient MoM Systemmatrix zu lösen. Der in diesem Projekt implementierte H-Matrix Löser ist Teil des Concept-II Pakets und zeigt eine hervorragende Performance für alle Frequenzbereiche und Simulationsaufbauten für die die Momentenmethode anwendbar ist.

Die elektrischen Felder in einem PC Gehäuse bei 8GHz: Ein Gehäuse mit Abmaßen (20x20x10 cm) ist mit einem Mini-ITX Mainboard mit angeschlossenen Arbeitsspeichermodulen sowie einer Kombination aus CPU und Kühlkörper gefüllt. In der dargestellten Feldverteilung wurde die Abstrahlung der CPU durch eine Monopolanregung angenähert. Etwa 100000 Unbekannte sind notwendig, um die Oberflächenstromverteilung bei der gewählten Frequenz korrekt zu diskretisieren. Für die numerische Berechnung und die Auswertung der Felder an mehr als einer Million Aufpunkten wurde eine Rechenzeit von unter einer Stunde auf vier Kernen benötigt. (Quelle: TET, TUHH).

Die Skalierbarkeit des direkten H-Matrix Löseverfahrens am Beispiel einer dielektrischen Kugel: Die asymptotische Komplexität des Aufstellprozesses konnte von O(N^2) auf O(N^(4/3) log⁡N ) reduziert werden. Der Lösevorgang des H-Matrix Verfahrens skaliert quadratisch, ein Standard MoM Verfahren weist hier eine kubische Komplexität auf. (Quelle: TET, TUHH).

Relevante Publikationen:

Alexander Vogt, Torsten Reuschel, Heinz-Dietrich Brüns, Sabine Le Borne, Christian Schuster

On the Treatment of Arbitrary Boundary Conditions Using a Fast Direct H-Matrix Solver in MoM Artikel

IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 64 (8), 2016.

Links

Alexander Vogt

Analysis of Electromagnetic Interference in Server Casings Promotionsarbeit

2016, ISBN: 978-3-8440-4660-1.

Alexander Vogt, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Auswirkung absorbierender Materialien auf die Verkopplung von Komponenten innerhalb eines PC-Gehäuses Inproceedings

Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV Düsseldorf) Düsseldorf, Germany, February 23-25, 2016.

Alexander Vogt, Heinz-Dietrich Brüns, Qi Wu, Frank Gronwald, Christian Schuster

A Measurement Setup for Quantification of Electromagnetic Interference in Metallic Casings Artikel

IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 57 (6), 2015.

Links

Qi Wu, Alexander Vogt, Jan Birger Preibisch, Andreas Hardock, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Modeling of Mutual Coupling between Coaxial Probes in Flat Metallic Casings Using the Contour Integral Method Inproceedings

2015 International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA), Turin, Italy, September 07-11, 2015.

Links

Qi Wu, Alexander Vogt, Heinz-Dietrich Brüns, Frank Gronwald, Christian Schuster

Numerical and Experimental Evaluation of Electromagnetic Coupling between Radiating Antenna Structures inside a Computer Casing Inproceedings

2015 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC) Dresden, Germany, August 16-22, 2015.

Alexander Vogt, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Einfluss von absorbierenden Materialien auf die elektromagnetische Strahlung von Leiterplatten Inproceedings

Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV Düsseldorf) , Düsseldorf, Germany, March 11-13, 2014.

Alexander Vogt, Heinz-Dietrich Brüns, Helge Fielitz, Christian Schuster

Modeling Absorbing Materials in Cavities with Apertures Using the Thin Sheet Approximation Inproceedings

Asia-Pacific EMC Symposium (APEMC), Melbourne, Australia, May 20-23, 2013.

Links

Xiaomin Duan, Alexander Vogt, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Progress Towards a Combined CIM/MoM Approach for EMI Analysis of Electronic Systems Inproceedings

IEEE EMC Europe Symposium, Rome, Italy, September 17-21, 2012.

Links

Alexander Vogt, Heinz-Dietrich Brüns, Samuel Connor, Bruce Archambeault, Christian Schuster

Applicability of the Thin Sheet Approximation to the Analysis of EM Emission from Coated PCBs Inproceedings

IEEE EMC International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Pittsburgh, USA, August 5-10, 2012.

Links

Erweiterung der Konturintegralmethode für den elektrischen Entwurf planarer Strukturen in digitalen Systemen

Promotion Xiaomin Duan, 01.09.2007 – 31.07.2013

Die rasante Entwicklung der Halbleiter-Industrie stellt große Herausforderungen an die Electronic-Design-Automation-Tools.
Diese Arbeit konzentriert sich auf die effiziente und präzise Modellierung von planaren Strukturen und Leiterplatten in digitalen Systemen durch die Erweiterung eines schnellen zweidimensionalen numerischen Verfahrens – die Kontur-Integral Methode. Die Erweiterung umfasst die Ableitungen von analytischen Lösungen für eine schnelle Analyse von zylindrischen Vias sowie die Kombinationen mit anderen effiziente Methoden zur Behandlung komplexer Multilagen-Systemen. Anhand mehrerer Anwendungsbeispiele werden die Methode und ihre Erweiterung gründlich validiert und ausgewertet.

TUHH Universitätsbibliothek. TUBDok Link: http://doku.b.tu-harburg.de/volltexte/2012/1157/

(Source: TET, TUHH).

(Source: TET, TUHH).

Relevante Publikationen:

Xiaomin Duan, Mathias Boettcher, David Dahl, Christian Schuster, Christian Tschoban, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang

High Frequency Characterization of Silicon Substrate and through Silicon Vias Inproceedings

Electronic Components and Technology Conference (ECTC), Las Vegas, US, May 31 – June 3, 2016.

Links

Xiaomin Duan, David Dahl, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang, Christian Schuster

A Rigorous Approach for the Rigorous Approach Using Multipole Expansions Artikel

IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 6 (1), 2016.

Links

David Dahl, Xiaomin Duan, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang, Christian Schuster

Efficient Computation of Localized Fields for Through Silicon Via Modeling Up to 500 GHz Artikel

IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 5 (12), 2015.

Links

Xiaomin Duan, Mathias Böttcher, Stephan Dobritz, David Dahl, Christian Schuster, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang

Comparison of Passivation Materials for High frequency 3D Packaging Application up to 110 GHz Inproceedings

2015 European Microelectronics Packaging Conference (EMPC), Friedrichshafen, Germany, September 14-16, 2015.

Xiaomin Duan, David Dahl, Christian Schuster, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang

Efficient Analysis of Wave Propagation for Through-Silicon-Via Pairs using Multipole Expansion Method Workshop

2015 IEEE 19th Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Berlin, Germany, May 10-13, 2015.

Links

Jan Birger Preibisch, Xiaomin Duan, Christian Schuster

An Efficient Analysis of Power/Ground Planes With Inhomogeneous Substrates Using the Contour Integral Method Artikel

IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 56 (4), 2014.

Links

David Dahl, Xiaomin Duan, Anne Beyreuther, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang, Christian Schuster

Applying a physics-based via model for the simulation of Through Silicon Vias Inproceedings

IEEE Conference on Electrical Performance of Electronic Packaging and Systems (EPEPS), San Jose, USA, October 27-30, 2013.

Links

Jan Birger Preibisch, Xiaomin Duan, Christian Schuster

Extensions to the Contour Integral Method for Efficient Modeling of TM Scattering in Two-Dimensional Photonic Crystals Inproceedings

7th International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics (Metamaterials’2013), Bordeaux, France, September 16-13, 2013.

Links

Xiaomin Duan, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Efficient DC Analysis of Power Planes Using Contour Integral Method With Circular Elements Artikel

IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 3 (8), S. 1409 - 1419, 2013.

Links

David Dahl, Xiaomin Duan, Anne Beyreuther, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang, Christian Schuster

Application of the Transverse Resonance Method for Efficient Extraction of the Dispersion Relation of Arbitrary Layers in Silicon Interposers Workshop

IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Paris, France, May-12-15, 2013.

Links

Renato Rimolo-Donadio, Xiaomin Duan, Young H. Kwark, Xiaoxiong Gu, Christian W. Baks, Sebastian Müller, Thomas-Michael Winkel, Thomas Strach, Lei Shan, Hubert Harrer, Christian Schuster

Signal and Power Integrity (SPI) Co-Analysis for High-Speed Communication Channels Inproceedings

UBM DesignCon Conference, Santa Clara, USA, January 28-31, 2013.

Sebastian Müller, Xiaomin Duan, Miroslav Kotzev, Yaojiang Zhang, Jun Fan, Xiaoxiong Gu, Young H. Kwark, Renato Rimolo-Donadio, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Accuracy of Physics-Based Via Models for Simulation of Dense Via Arrays Artikel

IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 54 (5), 2012.

Links

Xiaomin Duan, Alexander Vogt, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Progress Towards a Combined CIM/MoM Approach for EMI Analysis of Electronic Systems Inproceedings

IEEE EMC Europe Symposium, Rome, Italy, September 17-21, 2012.

Links

Sebastian Müller, Xiaomin Duan, Christian Schuster

Energy-Aware Analysis of Electrically Long High Speed I/O Links Artikel

Computer Science – Research and Development, August 2012 and International Conference on Energy-Aware High Performance Computing (EnA-HPC), Hamburg, Germany, September 12, 2012.

Links

Xiaomin Duan, Renato Rimolo-Donadio, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Circular Ports in Parallel-Plate Waveguide Analysis with Isotropic Excitations Artikel

IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 54 (3), 2012.

Links

Xiaomin Duan

Extension of the Contour Integral Method for the Electrical Design of Planar Structures in Digital Systems Promotionsarbeit

2012, ISBN: 978-3-8440-1059-6.

Xiaomin Duan, Renato Rimolo-Donadio, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Extension of the Contour Integral Method to Anisotropic Modes on Circular Ports Artikel

IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 2 (2), 2012.

Links

Xiaomin Duan, Renato Rimolo-Donadio, Sebastian Müller, Kijan Han, Xiaoxiong Gu, Young H. Kwark, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Impact of Multiple Scattering on Passivity of Equivalent-Circuit Via Models Inproceedings

IEEE Electrical Design of Advanced Package & Systems Symposium (EDAPS), Hangzhou, China, December 12-14, 2011.

Links

Sebastian Müller, Xiaomin Duan, Renato Rimolo-Donadio, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Recent Developments of Via and Return Current Path Modeling (Invited) Inproceedings

International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA), Torino, Italy, September 12-16, 2011.

Xiaomin Duan, Renato Rimolo-Donadio, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

A Hybrid CIM/MoM Approach for Power Plane Analysis Including Radiation Loss Inproceedings

Asia-Pacific EMC Symposium (APEMC), Jeju Island, Korea, May-16-19, 2011.

Sebastian Müller, Xiaomin Duan, Renato Rimolo-Donadio, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Non-Uniform Currents on Vias and Their Effects in a Parallel-Plate Environment Inproceedings

IEEE Electrical Design of Advanced Package & Systems Symposium (EDAPS), Singapore, December 7-9, 2010.

Links

Xiaomin Duan, Renato Rimolo-Donadio, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

A Combined Method for Fast Analysis of Signal Propagation, Ground Noise, and Radiated Emission of Multilayer Printed Circuit Boards Artikel

IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility , 52 (2), 2010.

Links

Xiaomin Duan, Renato Rimolo-Donadio, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Fast and Concurrent Simulations for SI, PI, and EMI Analysis of Multilayer Printed Circuit Boards (invited) Inproceedings

Asia-Pacific Symposium on EMC (APEMC), Beijing, China, April 12-16, 2010.

Links

Xiaomin Duan, Renato Rimolo-Donadio, Heinz-Dietrich Brüns, Bruce Archambeault, Christian Schuster

Special Session on Power Integrity Techniques: Contour Integral Method for Rapid Computation of Power/Ground Plane Impedance Inproceedings

IEC DesignCon Conference, Santa Clara, USA, February 1-4, 2010.

Renato Rimolo-Donadio, Xiaomin Duan, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Comprehensive Multilayer Substrate Models for Co-Simulation of Power and Signal Integrity Inproceedings

IMAPS 42th International Symposium on Microelectronics and Packaging, San Jose, California, USA, November 3-5, 2009.

Xiaomin Duan, Bruce Archambeault, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

EM Emission of Differential Signals Across Connected Printed Circuit Boards in the GHz Range Inproceedings

IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Austin, USA, August 17-21, 2009.

Links

Renato Rimolo-Donadio, Xiaomin Duan, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Differential to Common Mode Conversion Due to Asymmetric Ground Via Configurations Workshop

IEEE Workshop on Signal Propagation on Interconnects (SPI), Strasbourg, France, May 12-15, 2009.

Links

Ein Beitrag zur PEEC-Methode und deren Hybridisierung mit der Momentenmethode

Promotion Volker Vahrenholt. Abgeschlossen 2009

Bei Untersuchungen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) komplexer elektrischer Systeme sind Stromsimulationen unerlässlich. In dieser Arbeit wurde zur Simulation der Stromverteilung für die EMV von Leiterplatten die PEEC-Methode – genannt Partial-Element-Equivalent-Circuit oder kurz PEEC – verwendet und weiterentwickelt. Darüber hinaus wurde ein Hybridverfahren aus PEEC und aus der Momentenmethode (MoM) konzipiert, um Synergien zwischen PEEC und MoM zu erzeugen, die einen erheblichen Rechenzeitgewinn gegenüber reinen MoM-Vollwellenmodellen erbringen.

Relevante Publikationen:

Volker Vahrenholt, Heinz-Dietrich Brüns, Hermann Singer

Fast EMC Analysis of Systems Consisting of PCBs and Metallic Antenna Structures by a Hybridization of PEEC and MoM Artikel

IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 52 (4), 2010.

Links

Volker Vahrenholt

Ein Beitrag zur PEEC-Methode und deren Hybridiesierung mit der Momentenmethode Promotionsarbeit

2009, ISBN: 978-3-8322-8181-6.

Volker Vahrenholt, Heinz-Dietrich Brüns, Roland Krzikalla, Hermann Singer

Fast Analysis of Electromagnetic Field Coupling into PCBs based on the PEEC Method Inproceedings

IEEE Symposium EMC Europe, Hamburg, Germany, September 8-12, 2008.

Links

Volker Vahrenholt, Heinz-Dietrich Brüns, Hermann Singer, Renato Rimolo-Donadio

Verkopplung einer schnellen PEEC-Methode mit der Momentenmethode bei gedruckten Schaltungen mittels der elektrischen Feldstärke Inproceedings

Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV Düsseldorf), Düsseldorf, Germany, February 18-21, 2008.

Volker Vahrenholt, Heinz-Dietrich Brüns, Hermann Singer

Razor Blade Functions in the PEEC method Inproceedings

IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Honolulu, Hawaii, USA, July 8-13, 2007.

Links

Volker Vahrenholt, Heinz-Dietrich Brüns, Hermann Singer

Reduction of Unknowns in PEEC Structures by Exploiting Connectivity of PEEC Cells Artikel

IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 29 (2), 2007.

Links

Verfahren zur schnellen Lösung von großen Gleichungssystemen in der Momentenmethode

Promotion Miguel Astner. Abgeschlossen 31.08.2009

Die Untersuchung komplexer elektrischer Systeme im Rahmen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) mit Hilfe der Momentenmethode (MoM) führt in der Regel zu großen Gleichungssystemen mit dichtbesetzten Matrizen. Der Lösungsaufwand mit Standardmethoden ist daher unpraktikabel. In dieser Arbeit werden Verfahren vorgestellt, die im Vergleich zur klassischen MoM den Rechenaufwand deutlich reduzieren. Einen weiteren Schwerpunkt stellt die Parallelisierung einer dieser Methoden auf Multicomputersystemen dar.

Relevante Publikationen:

Arne Schröder, Miguel Astner, Heinz-Dietrich Brüns, Christian Schuster

Ausnutzung magnetischer Symmetrie bei der numerischen Analyse von Feldproblemen mit der schnellen Multipolmethode Inproceedings

Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV Düsseldorf) , Düsseldorf, Germany, March 9-11, 2010.

Miguel Astner

Verfahren zur schnellen Lösung von großen Gleichungssystemen in der Momentenmethode Artikel

2009, ISBN: 978-3-8322-8568-5.

Miguel Astner, Tobias Pilsak, Heinz-Dietrich Brüns, Jan Luiken ter Haseborg, Hermann Singer

MoM-Based Analysis of the Immunity of Marine Equipment in a Control Cabinet of Cruise and Container Vessels against 2.4-GHz WLAN Application Inproceedings

IEEE EMC Europe Hamburg, Germany, 2008.

Links

Miguel Astner, Heinz-Dietrich Brüns, Hermann Singer

Simple Load-Balancing in Binary-Tree Based Parallel Multilevel Low-Rank Compression Techniques Inproceedings

IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC), Detroit, USA, August 17-22, 2008.

Links

Miguel Astner, Heinz-Dietrich Brüns, Hermann Singer

Frequenzabhängige Diskretisierung für Strukturelemente in CONCEPT II Forschungsbericht

Abschlussbericht zu dem BWB-F&T-Projekt E/E590/1F037 „Lösung großer Systemmatrizen mit der Momentenmethoden“ im Rahmen des Vorhabens „Berechnung Komplexer Übertragungssysteme 2008.

Miguel Astner, Heinz-Dietrich Brüns, Hermann Singer

Ein Verfahren zur schnellen MoM-Berechnung mittels Interpolation der Greenschen Funktion und FFT Inproceedings

Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV Düsseldorf) , Düsseldorf, Germany, February 18-21, 2008.

Miguel Astner, Heinz-Dietrich Brüns, Hermann Singer

Application of a Hierarchical SVD/ACA Compression Technique to Near-Field Calculations of Monopole Antennas Inproceedings

IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility Honolulu, Hawaii, USA, July 8-13, 2007.

Links