Umwandlung des IC-Layouts in 3D-CAD-Modelle für die EM-Analyse
Ann-Sophie Woldmann, Wissenschaftliche Hilfskraft, 15.05.2023-14.11.2023
In den letzten zehn Jahren gab es einen raschen Fortschritt bei der Verwendung integrierter Schaltungen (IC) für drahtlose Anwendungen, die eine voll funktionsfähige Implementierung in einem kleinen Volumen ermöglichen. Obwohl in der Literatur anspruchsvolle Vollwellenmodelle von hochkomplexen IC-Verbindungen und ihren Gehäusen bis zum GHz-Bereich veröffentlicht wurden, ist der IC selbst, der aus einer großen Anzahl von Transistoren besteht, noch nicht vollständig in Vollwellenform charakterisiert worden. Dies ist für die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) auf Chip-Ebene unerlässlich.
Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines effizienten numerischen Werkzeugs, das Standard-IC-Layoutdaten für die elektromagnetische Vollwellensimulation (EM) verarbeiten kann. Das Werkzeug wird automatisch alle Arten von Transistoren unterschiedlicher Größe identifizieren und sie flexibel durch Schaltungen oder Quellen ersetzen. Es exportiert ein gebrauchsfertiges 3D-Modell aus Standard-GDSII-IC-Layouts zusammen mit angepassten Skripten, um die Vollwellen-Simulationsumgebung mit kommerzieller Software einzurichten. Anschließend wird die Vollwellen-EM-Simulation durchgeführt und die Ergebnisse können zur Untersuchung gesammelt werden.
Darstellung der Erstellung einer Vollwellen-EM-Simulation aus einem Standard-IC-Layout. Das numerische Werkzeug (roter Farbblock) interpretiert die 2D-Layoutdatei, identifiziert alle Transistoren, erstellt 3D-Modelle mit Ports (Feld-Schaltkreis-Schnittstellen) und automatisiert alle manuellen Vorgänge in der Simulationssoftware mit Skripten, wodurch die Modellierung und Analyse effizienter und flexibler wird.
Schnelle Simulationen von energieselektiven Oberflächen durch Modelle reduzierter Ordnung
Marco de Stefano, M.Sc., DAAD Stipendiat vom Department of Electronics and Telecommunications,
Politecnico di Torino (POLITO), Torino, Italien, 01.09.2021 – 10.12.2021
Seit den 1970er Jahren, als der Ausgangspunkt eine mit einer Diode beladene Eindrahtantenne war, ist die Simulation von elektrischen/elektromagnetischen Strukturen mit nichtlinearen Abschlüssen ein wichtiges Forschungsthema in der Wissenschaft. Beispiele sind aktive Antennen, Gitterverstärker, Verstärker mit Abschirmstrukturen, On-Chip-Verbindungen mit nichtlinearen Abschlüssen, mehrstufige Verstärker und PCB-Entkopplungsprobleme. Der allgemeine Trend über die Jahre zeigt dynamische Systeme zunehmender Größe, die massiv mit NL-Komponenten belastet sind.
Ziel dieses Projektes ist die Verbesserung des Standes der Technik in der numerischen Simulation großer elektrischer/elektromagnetischer Strukturen, die massiv mit NL-Komponenten/-Abschlüssen belastet sind. Beispiele sind Meta-Surfaces für nichtlineare Abschirmung oder Power Delivery Networks auf Leiterplatten (PCBs). Die Kombination aus verteilten, elektrisch großen Strukturen mit nichtlinearen Abschlüssen macht das numerische Simulationsproblem extrem anspruchsvoll. Unsere Hauptbemühungen konzentrieren sich auf Mixed circuit-/Feldsimulationsmethoden, mit besonderem Bezug auf Ansätze, die auf Modellordnungsreduktion (Makromodellierung) basieren:
- Verbessern der Generierung kompakter, passiver und zuverlässiger Makromodelle für große Komponenten mit Hunderten von Ports, die aus Streuparametern gewonnen werden und
- Systematische Extraktion und Einbeziehung von reduzierten Modellen für die nichtlinearen Abschlüsse in einer Simulationsumgebung, wenn die Anzahl der NL-Lasten sehr groß wird.
Seit 2018 arbeiten die Gruppen von TUHH und POLITO im von der DFG geförderten Projekt „Hybrid Simulation of Electromagnetic Field Interaction with Metallic Structures Showing Massive Nonlinear Loading“ zusammen. Die laufende Zusammenarbeit zielt darauf ab, den Stand der Technik in der Simulation von Feldwechselwirkungen mit nichtlinear geladener Struktur mit Fokus auf Meta-Oberflächen (mit Dioden verbundene metallische Gitter) voranzutreiben.
Ein vollständiger Bericht des Studienaufenthalts von Herrn Marco de Stefano ist in dem folgenden Dokument abgefasst: PDF
Relevante Publikationen:
In: IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 64, no. 6, pp. 2042 - 2054, 2022. |
In: IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 64, no. 5, pp. 1365-1379, 2022. |
A Multistage Adaptive Sampling Scheme for Passivity Characterization of Large-Scale Macromodels Artikel In: IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 11, no. 3, pp. 471-484, 2021. |
Feldinteraktion mit nichtlinear beladenen Strukturen
Promotion Torben Wendt, 16.08.2017 – 14.10.2022
Ziel dieses Projektes ist es gewesen, an der Schnittstelle von drei verschiedenen Forschungsgebieten teilzunehmen:
- Physik der elektromagnetischen Feldinteraktion mit nichtlinear beladenen, elektrisch großen
Strukturen und Oberflächen, - neuartige technische Anwendungen für solche Strukturen und Oberflächen, und
- 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 wurde 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.
Relevante Publikationen:
Hybrid Simulation of Multiport Structures for Diode Based Shielding Applications Promotionsarbeit 2023, ISBN: 978-3-8440-9129-8. |
In: IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 64, no. 6, pp. 2042 - 2054, 2022. |
In: IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 64, no. 5, pp. 1365-1379, 2022. |
Signal Integrity Assessment of External ESD Protection for Gbits/s Data Rates on Ceramic Test Fixture Proceedings Article In: IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Siegen, Germany, May 22 -25, 2022. 2022. |
Iteration Dependent Waveform Relaxation for Hybrid Field Nonlinear Circuit Problems Artikel In: IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 64, no. 4, pp. 1124-1139, 2022. |
Analysis and Optimization of Nonlinear Diode Grids for Shielding of Enclosures With Apertures," Artikel In: IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 63, no. 6, pp. 1884-1895, 2021. |
Distributed Nonlinear Shielding in Power Delivery Networks on Printed Circuit Boards Proceedings Article In: IEEE Conference on Electrical Performance of Electronic Packaging and Systems (EPEPS), virtual event, Austin, TX, USA, October 17-20, 2021. |
A Multistage Adaptive Sampling Scheme for Passivity Characterization of Large-Scale Macromodels Artikel In: IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 11, no. 3, pp. 471-484, 2021. |
In: IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 62, no. 4, pp. 1098-1110, 2020. |
Numerical complexity study of solving hybrid multiport field-circuit problems for diode grids Proceedings Article In: International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA), Granada, Spain, September 9-13, 2019. |
Direct Prediction of Linear Equalization Coefficients Using Raised Cosine Pulse Shaping in Frequency Domain Proceedings Article In: IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Brest, France, May 22-25, 2018. |
Schnelle Analyse und Optimierung von Substratintegrierten Wellenleitern (SIW) Antennen mit der Konturintegralmethode (CIM)
Dr. Lei Wang (Alexander von Humbold Stipendiat) 01.02.2018-31.01.2020
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
Ein vollständiger Bericht des Studienaufenthalts von Dr. Lei Wang ist in dem folgenden Dokument abgefasst: PDF
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:
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.
Relevante Publikationen:
Sensitivity Analysis and Empirical Optimization of Cross-Domain Coupling on RFICs using Polynomial Chaos Expansion Proceedings Article In: 2017 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility & Signal/Power Integrity (EMCSI) Washington, DC, USA, 2017. |
Efficient Prediction of Equalization Effort and Channel Performance for PCB-Based Data Links Artikel In: IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, Bd. 7, Nr. 11, 2017. |
Extension of the Contour Integral Method for Stochastic Modeling of Waveguiding Structures Promotionsarbeit 2017, ISBN: 978-3-8440-5402-6. |
Efficient Design of Continuous Time Linear Equalization for Loss Dominated Digital Links Proceedings Article In: IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Lake Maggiore (Baveno), Italy, May 7-10, 2017. |
Exploring Efficient Variability-Aware Analysis Method for High-Speed Digital Link Design Using PCE Proceedings Article In: UBM DesignCon Conference, Santa Clara, CA, USA, January 31 – February 2, 2017. |
Variability Analysis of via Crosstalk using Polynomial Chaos Expansion Proceedings Article In: UBM DesignCon Conference, Santa Clara, CA, USA, January 31-February 2, 2017. |
Design Space Exploration for Printed Circuit Board Vias Using Polynomial Chaos Expansion Proceedings Article In: IEEE Signal and Power Integrity Conference (SIPI) 2016, Ottawa, ON, Canada, July 25-29, 2016. |
Impact of Continuous Time Linear Equalizer Variability on Eye Opening of High-Speed Links Proceedings Article In: IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Turin, Italy, May 8-11, 2016. |
Extension of the Contour Integral Method for the Modeling of TE Scattering in Two-Dimensional Photonic Structures Using the Duality Principle Proceedings Article In: 2016 10th International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics (METAMATERIALS) Crete, Greece, 2016. |
Efficient Stochastic Transmission Line Modeling Using Polynomial Chaos Expansion with Multiple Variables Proceedings Article In: 2015 IEEE MTT-S International Conference on Numerical Electromagnetic and Multiphysics Modeling and Optimization (NEMO), Ottawa, Canada, August 11-14, 2015. |
Physics-Based Via and Waveguide Models for Efficient SIW Simulations in Multilayer Substrates Artikel In: IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques , Bd. 63, Nr. 6, 2015. |
Sensitivity Analysis of Via Impedance using Polynomial Chaos Expansion Proceedings Article In: 2015 IEEE 19th Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Berlin, Germany, May 10-13, 2015. |
In: IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Bd. 56, Nr. 4, 2014. |
Extensions to the Contour Integral Method for Efficient Modeling of TM Scattering in Two-Dimensional Photonic Crystals Proceedings Article In: 7th International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics (Metamaterials’2013), Bordeaux, France, September 16-13, 2013. |
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.
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.
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.)
Schnelle direkte Löseverfahren auf Basis von H-Matrix Algorithmen zur Elektromagnetischen Feldrechnung
Promotion 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) logN ) 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:
Modeling challenging EMC problems Artikel In: IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine, vol. 6, no. 3, pp. 45-54, 2017. |
Analysis of Electromagnetic Interference in Server Casings Promotionsarbeit 2016, ISBN: 978-3-8440-4660-1. |
On the Treatment of Arbitrary Boundary Conditions Using a Fast Direct H-Matrix Solver in MoM Artikel In: IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Bd. 64, Nr. 8, 2016. |
Auswirkung absorbierender Materialien auf die Verkopplung von Komponenten innerhalb eines PC-Gehäuses Proceedings Article In: Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV Düsseldorf) Düsseldorf, Germany, February 23-25, 2016. |
A Measurement Setup for Quantification of Electromagnetic Interference in Metallic Casings Artikel In: IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Bd. 57, Nr. 6, 2015. |
Modeling of Mutual Coupling between Coaxial Probes in Flat Metallic Casings Using the Contour Integral Method Proceedings Article In: 2015 International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA), Turin, Italy, September 07-11, 2015. |
Numerical and Experimental Evaluation of Electromagnetic Coupling between Radiating Antenna Structures inside a Computer Casing Proceedings Article In: 2015 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC) Dresden, Germany, August 16-22, 2015. |
Solving highly resonant structures using a fast direct H-matrix solver in the method of moments Workshop IEEE EMC International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Dresden, Germany, August , 2015. |
Modeling using MoM – Solving challenging realworld problems Workshop IEEE EMC International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Gothenburg, Sweden, September, 2014. |
Einfluss von absorbierenden Materialien auf die elektromagnetische Strahlung von Leiterplatten Proceedings Article In: Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV Düsseldorf) , Düsseldorf, Germany, March 11-13, 2014. |
Modeling Absorbing Materials in Cavities with Apertures Using the Thin Sheet Approximation Proceedings Article In: Asia-Pacific EMC Symposium (APEMC), Melbourne, Australia, May 20-23, 2013. |
Progress Towards a Combined CIM/MoM Approach for EMI Analysis of Electronic Systems Proceedings Article In: IEEE EMC Europe Symposium, Rome, Italy, September 17-21, 2012. |
Applicability of the Thin Sheet Approximation to the Analysis of EM Emission from Coated PCBs Proceedings Article In: IEEE EMC International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Pittsburgh, USA, August 5-10, 2012. |
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/
Relevante Publikationen:
Bayesian Optimization of First-Order Continuous-Time Linear Equalization in High-Speed Links Including Crosstalk Proceedings Article In: IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Aveiro, Portugal, May 07-10, 2023. |
ANN Hyperparameter Optimization by Genetic Algorithms for Via Interconnect Classification Proceedings Article In: IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), virtual event, Siegen, Germany, May 10-12, 2021. |
SI/PI-Database of PCB-Based Interconnects for Machine Learning Applications Artikel In: IEEE Access, vol. 9, pp. 34423-34432, 2021. |
Efficient Prediction of Equalization Effort and Channel Performance for PCB-Based Data Links Artikel In: IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, Bd. 7, Nr. 11, 2017. |
High Frequency Characterization of Silicon Substrate and through Silicon Vias Proceedings Article In: Electronic Components and Technology Conference (ECTC), Las Vegas, US, May 31 – June 3, 2016. |
A Rigorous Approach for the Rigorous Approach Using Multipole Expansions Artikel In: IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, Bd. 6, Nr. 1, 2016. |
Efficient Computation of Localized Fields for Through Silicon Via Modeling Up to 500 GHz Artikel In: IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, Bd. 5, Nr. 12, 2015. |
Comparison of Passivation Materials for High frequency 3D Packaging Application up to 110 GHz Proceedings Article In: 2015 European Microelectronics Packaging Conference (EMPC), Friedrichshafen, Germany, September 14-16, 2015. |
2015 IEEE 19th Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Berlin, Germany, May 10-13, 2015. |
In: IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Bd. 56, Nr. 4, 2014. |
Energy-aware analysis of electrically long high speed I/O links Artikel In: Computer Science – Research and Development, Bd. 29, Nr. 2, 2014. |
Applying a physics-based via model for the simulation of Through Silicon Vias Proceedings Article In: IEEE Conference on Electrical Performance of Electronic Packaging and Systems (EPEPS), San Jose, USA, October 27-30, 2013. |
Extensions to the Contour Integral Method for Efficient Modeling of TM Scattering in Two-Dimensional Photonic Crystals Proceedings Article In: 7th International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics (Metamaterials’2013), Bordeaux, France, September 16-13, 2013. |
Efficient DC Analysis of Power Planes Using Contour Integral Method With Circular Elements Artikel In: IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, Bd. 3, Nr. 8, S. 1409 - 1419, 2013. |
IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Paris, France, May-12-15, 2013. |
Signal and Power Integrity (SPI) Co-Analysis for High-Speed Communication Channels Proceedings Article In: UBM DesignCon Conference, Santa Clara, USA, January 28-31, 2013. |
Accuracy of Physics-Based Via Models for Simulation of Dense Via Arrays Artikel In: IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Bd. 54, Nr. 5, 2012. |
Progress Towards a Combined CIM/MoM Approach for EMI Analysis of Electronic Systems Proceedings Article In: IEEE EMC Europe Symposium, Rome, Italy, September 17-21, 2012. |
Energy-Aware Analysis of Electrically Long High Speed I/O Links Artikel In: Computer Science – Research and Development, August 2012 and International Conference on Energy-Aware High Performance Computing (EnA-HPC), Hamburg, Germany, September 12, 2012. |
Circular Ports in Parallel-Plate Waveguide Analysis with Isotropic Excitations Artikel In: IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Bd. 54, Nr. 3, 2012. |
Extension of the Contour Integral Method for the Electrical Design of Planar Structures in Digital Systems Promotionsarbeit 2012, ISBN: 978-3-8440-1059-6. |
Extension of the Contour Integral Method to Anisotropic Modes on Circular Ports Artikel In: IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, Bd. 2, Nr. 2, 2012. |
Impact of Multiple Scattering on Passivity of Equivalent-Circuit Via Models Proceedings Article In: IEEE Electrical Design of Advanced Package & Systems Symposium (EDAPS), Hangzhou, China, December 12-14, 2011. |
Recent Developments of Via and Return Current Path Modeling (Invited) Proceedings Article In: International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA), Torino, Italy, September 12-16, 2011. |
A Hybrid CIM/MoM Approach for Power Plane Analysis Including Radiation Loss Proceedings Article In: Asia-Pacific EMC Symposium (APEMC), Jeju Island, Korea, May-16-19, 2011. |
Non-Uniform Currents on Vias and Their Effects in a Parallel-Plate Environment Proceedings Article In: IEEE Electrical Design of Advanced Package & Systems Symposium (EDAPS), Singapore, December 7-9, 2010. |
In: IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility , Bd. 52, Nr. 2, 2010. |
Fast and Concurrent Simulations for SI, PI, and EMI Analysis of Multilayer Printed Circuit Boards (invited) Proceedings Article In: Asia-Pacific Symposium on EMC (APEMC), Beijing, China, April 12-16, 2010. |
Special Session on Power Integrity Techniques: Contour Integral Method for Rapid Computation of Power/Ground Plane Impedance Proceedings Article In: IEC DesignCon Conference, Santa Clara, USA, February 1-4, 2010. |
Comprehensive Multilayer Substrate Models for Co-Simulation of Power and Signal Integrity Proceedings Article In: IMAPS 42th International Symposium on Microelectronics and Packaging, San Jose, California, USA, November 3-5, 2009. |
EM Emission of Differential Signals Across Connected Printed Circuit Boards in the GHz Range Proceedings Article In: IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Austin, USA, August 17-21, 2009. |
Differential to Common Mode Conversion Due to Asymmetric Ground Via Configurations Proceedings Article In: IEEE Workshop on Signal Propagation on Interconnects (SPI), Strasbourg, France, May 12-15, 2009. |
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:
In: IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Bd. 52, Nr. 4, 2010. |
Ein Beitrag zur PEEC-Methode und deren Hybridiesierung mit der Momentenmethode Promotionsarbeit 2009, ISBN: 978-3-8322-8181-6. |
Fast Analysis of Electromagnetic Field Coupling into PCBs based on the PEEC Method Proceedings Article In: IEEE Symposium EMC Europe, Hamburg, Germany, September 8-12, 2008. |
Verkopplung einer schnellen PEEC-Methode mit der Momentenmethode bei gedruckten Schaltungen mittels der elektrischen Feldstärke Proceedings Article In: Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV Düsseldorf), Düsseldorf, Germany, February 18-21, 2008. |
Razor Blade Functions in the PEEC Method Proceedings Article In: IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Honolulu, USA, July 09-13 July 2007. |
Razor Blade Functions in the PEEC method Proceedings Article In: IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Honolulu, Hawaii, USA, July 8-13, 2007. |
Reduction of Unknowns in PEEC Structures by Exploiting Connectivity of PEEC Cells Artikel In: IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Bd. 29, Nr. 2, 2007. |
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:
Ausnutzung magnetischer Symmetrie bei der numerischen Analyse von Feldproblemen mit der schnellen Multipolmethode Proceedings Article In: Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV Düsseldorf) , Düsseldorf, Germany, March 9-11, 2010. |
Verfahren zur schnellen Lösung von großen Gleichungssystemen in der Momentenmethode Artikel In: 2009, ISBN: 978-3-8322-8568-5. |
MoM-Based Analysis of the Immunity of Marine Equipment in a Control Cabinet of Cruise and Container Vessels against 2.4-GHz WLAN Application Proceedings Article In: IEEE EMC Europe Hamburg, Germany, 2008. |
Simple Load-Balancing in Binary-Tree Based Parallel Multilevel Low-Rank Compression Techniques Proceedings Article In: IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC), Detroit, USA, August 17-22, 2008. |
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. |
Ein Verfahren zur schnellen MoM-Berechnung mittels Interpolation der Greenschen Funktion und FFT Proceedings Article In: Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV Düsseldorf) , Düsseldorf, Germany, February 18-21, 2008. |
Application of a Hierarchical SVD/ACA Compression Technique to Near-Field Calculations of Monopole Antennas Proceedings Article In: IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility Honolulu, Hawaii, USA, July 8-13, 2007. |