DuEPublico 2

Dies ist unser neues Repositorium, derzeit für E-Dissertationen und ausgewählte weitere Publikationen. Weitere Informationen...

Untersuchung der elektromagnetischen Verkopplung von Mikrowellenschaltungen mit Gehäuseresonanzen

Bolz, Thomas

Die Einbettung von Mikrowellenschaltungen in ein Metallgehäuse ist ein übliches Verfahren, verschiedene Schaltkreiselemente elektrisch voneinander zu isolieren und die Abstrahlung elektromagnetischer Energie, sowie die Störung der Schaltung durch externe elektromagnetische Felder zu vermeiden. Liegt die zur Betriebsfrequenz der Mikrowellenschaltung zugehörige Wellenlänge in der Größenordnung der Gehäuseabmessungen, können Gehäuseresonanzen angeregt werden. Diese führen zu einer parasitären elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen den Komponenten der Mikrowellenschaltung und resultieren in einer unerwünschten Beeinträchtigung der Schaltungsfunktion. Schaltungssimulatoren, die ein wichtiges Werkzeug bei der Entwicklung einer Mikrowellenschaltung darstellen, besitzen zur Berücksichtigung derartiger Koppelmechanismen keine Modelle. Die Zielsetzung dieser Arbeit ist die Extrahierung elektrischer Ersatzschaltbilder zur Erfassung der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen Gehäuseresonanzen und der in das Metallgehäuse eingebrachten Mikrowellenschaltung in einem Schaltungssimulator. Für einfache Gehäuseformen werden auf der Grundlage von feldtheoretischen Ansätzen verschiedene Methoden zur Bestimmung der Koppelmatrizen und deren zugehörigen elektrischen Ersatzschaltbildern vorgestellt. Die ermittelte Topologie dieser Netzwerke lässt sich auch für komplexe Gehäuseformen verwenden. Es wird gezeigt, dass die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen den Gehäusemoden und der elektrischen Flächenstromdichte auf der Mikrostreifenstruktur durch eine Impedanzmatrix bzw. ein Impedanzkoppelnetzwerk beschrieben werden kann. Unter Verwendung des Dualitätsprinzips wird die elektromagnetische Verkopplung zwischen den Resonanzmoden des Metallgehäuses und einer fiktiven magnetischen Stromdichte, die entlang der Peripherie der Mikrostreifenstruktur modelliert werden kann, durch eine Admittanzmatrix bzw. ein Admittanzkoppelnetzwerk beschrieben. Die Untersuchung komplexer Gehäuseformen erfordert den Einsatz dreidimensionaler Vollwellensimulatoren. Zeitbereichsverfahren, wie die FDTD- oder TLM-Methode, sind für diese Aufgabe besonders geeignet, da mit ihnen in einer einzigen Simulation ein großer Frequenzbereich analysiert werden kann. Mit Hilfe der Systemtheorie wird ein Signalmodell erstellt, das die Bestimmung der Koppelmatrizen aus den zeitabhängigen Feldkomponenten der Vollwellensimulation erlaubt, wobei die Resonatorstruktur mit einem Gaußimpuls angeregt wird. Zur Vermeidung langer Simulationszeiten und zur automatischen Extrahierung der Gehäuseresonanzen, aus denen die Koppelmatrizen bzw. Koppelnetzwerke ermittelt werden, wird die Prony-Methode unter Verwendung der Singulärwertzerlegung eingesetzt. Hierbei wird unter Ausnutzung der Reziprozität und der Symmetrie der Koppelmatrizen eine Methode aufgezeigt, mit der die Parameter der Koppelmatrizen aus einer einzigen Vollwellensimulation ermittelt werden können. In mehreren Beispielen wird die Gültigkeit der vorgestellten Verfahren mit Vollwellensimulationen validiert.

The embedding of microwave integrated circuits into a metal package is a common method to prevent electromagnetic coupling between subcircuits, to suppress radiation and to avoid interferences by irradiation. If the wavelength of the corresponding operation frequency of the microwave integrated circuit has the dimension of the metal package resonant modes can be excited. These modes cause a parasitic electromagnetic coupling between the elements of the microwave integrated circuit and in this way degrades the circuit performance. Circuit simulators represent an important tool in microwave circuit development but their models are unable to consider this parasitic coupling mechanism. The goal of this work is the development of equivalent electric circuits for the consideration of the electromagnetic coupling between the resonant modes and the microwave integrated circuit embedded into a metal package. These equivalent circuits can be used in a commercial available circuit simulator. Based on the field equations for resonant modes within metal packages of simple shapes different methods are derived to extract the coupling matrices and their corresponding equivalent circuits. The determined circuit topology is also valid for metal packages with complex shapes. It is shown that the electromagnetic interaction between the package modes and the electric surface current density on the microstrip structure of the microwave integrated circuit can be described by an impedance matrix and an impedance coupling network, respectively. Using the duality principle the electromagnetic coupling between the resonant modes and a fictitious magnetic current density along the periphery of the microstrip structure within a metal package can be described by an admittance matrix and an admittance network coupling, respectively. For the investigation of the electromagnetic interaction between the microwave integrated circuit and the modes within a metal package of complex shape a fullwave simulator is necessary. In particularly fullwave simulators based on time domain methods like the FDTD- or the TLM-Method are attractive, because only one simulation run is necessary to analyze a complex structure for a wide frequency range. Using the system theory a signal model is deduced which allows for the determination of the coupling matrices from the time depended signals of a fullwave simulation, whereas a Gaussian pulse excitation is used. The coupling matrices are calculated from the package modes, which are extracted from the short simulation signals using Pony’s method and the singular value decomposition. An approach is proposed which allows for the determination of the coupling matrices and the corresponding coupling networks by one fullwave simulation exploiting the reciprocity and the symmetry of the coupling network. For several examples the proposed methods are validated by fullwave simulations.

Vorschau

Teilen und Zitieren

Zitierform:

Bolz, Thomas: Untersuchung der elektromagnetischen Verkopplung von Mikrowellenschaltungen mit Gehäuseresonanzen. 2009.

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export