Stable Broadband Finite Element Parasitic Extraction and Sensitivity Analysis

Stysch, Jonathan (2022)
Stable Broadband Finite Element Parasitic Extraction and Sensitivity Analysis.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00021561
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/21561

Kurzbeschreibung (Abstract)

Parasitic extraction is a powerful tool in the design process of electronic components, specifically as part of workflows that check electromagnetic compatibility. It enables to capture parasitic effects in field simulation and to embed them as lumped parameters in subsequent circuit simulations together with the functional elements of the design. This thesis develops a broadband parasitic extraction method capable of the automatic treatment of multi-port models of arbitrary conductor geometry without requiring any significant manual user interaction. It applies the finite element method to the differential form of Maxwell's equations, which makes it more flexible than established integral equation approaches with respect to spatial discretization and the handling of inhomogeneous material parameters. The method is capable of both the extraction of the impedance matrix using a full-wave system as a universal description of a model's parasitics, and the extraction of individual resistances, inductances and capacitances with quasistatic approximations. The inherent low-frequency instability of finite element solutions of Maxwell's equations is successfully alleviated by applying a state-of-the-art discretization scheme, that is based on a decomposition of the Sobolev space of curl-conforming functions. Beyond the mere assessment of a design, sensitivity analysis provides the basis for shape optimization. The stable parasitic extraction is used to improve an existing sensitivity analysis method with respect to efficiency, robustness and applicability. Furthermore, a low-frequency stable approach to include the extracted frequency-dependent parasitics in transient circuit simulations utilizing the vector fitting method is investigated. The parasitic extraction method is verified with both analytical results, and measurement results of a common-mode choke.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2022

Autor(en):

Stysch, Jonathan

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Stable Broadband Finite Element Parasitic Extraction and Sensitivity Analysis

Sprache:

Englisch

Referenten:

De Gersem, Prof. Dr. Herbert ; Clemens, Prof. Dr. Markus

Publikationsjahr:

2022

Ort:

Darmstadt

Kollation:

xi, 143 Seiten

Datum der mündlichen Prüfung:

13 Mai 2022

DOI:

10.26083/tuprints-00021561

URL / URN:

https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/21561

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

Parasitär-Extraktion ist ein leistungsstarkes Werkzeug im Entwicklungsprozess elektrischer Komponenten, insbesondere als Teil von Arbeitsabläufen, die die elektromagnetische Verträglichkeit überprüfen. Durch sie können parasitäre Effekte in elektromagnetischen Simulationen erfasst werden, um diese dann in Netzwerksimulationen mit den funktionalen Netzwerkelementen einzubinden. Diese Dissertation entwickelt eine Breitband-Parasitär-Extraktionsmethode, die in der Lage ist, Mehr-Tor-Modelle mit beliebige Leitergeometrien ohne größere Nutzer-Interaktion automatisch zu behandeln. Sie wendet die Finite-Elemente-Methode auf die differentielle Form der Maxwellgleichungen an, wodurch sie im Hinblick auf die räumliche Diskretisierung und die Behandlung inhomogener Materialparameter flexibler ist als etablierte Integralgleichungsmethoden. Die Methode ist fähig sowohl die Impedanzmatrix mit einem ungenäherten System als eine universale Beschreibung der parasitären Effekte, als auch individuelle Widerstände, Induktivitäten und Kapazitäten mit quasistatischen Systemen zu extrahieren. Die inhärente Niederfrequenzinstabilität von Finite-Elemente-Lösungen der Maxwellgleichungen wird erfolgreich beseitigt durch die Anwendung eines modernen Diskretisierungsansatzes, der auf einer Zerlegung des Sobolev-Raums rotationskonformer Funktionen basiert. Über die bloße Beurteilung eines Komponentenentwurfs hinaus schaffen Sensitivitätsanalysen die Grundlage für Formoptimierungen. Die stabile Parasitär-Extraktionsmethode wird daher benutzt, um einen existierenden Sensitivitätsanalyse-Ansatz mit Hinblick auf Effizienz, Robustheit und Anwendbarkeit zu verbessern. Des Weiteren wird ein niederfrequenzstabiler Ansatz die extrahierten frequenzabhängigen parasitären Elemente in transienten Netzwerksimulationen zu berücksichtigen diskutiert, der die Vektor-Fitting-Methode verwendet. Die Parasitär-Extraktionsmethode wird sowohl mit analytischen Ergebnissen verifiziert, als auch mit den Messergebnissen einer Gleichtaktdrossel.

Deutsch

Status:

Verlagsversion

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-215616

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

500 Naturwissenschaften und Mathematik > 510 Mathematik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Teilchenbeschleunigung und Theorie Elektromagnetische Felder

Hinterlegungsdatum:

21 Jun 2022 12:01

Letzte Änderung:

23 Jun 2022 06:50

PPN:

Referenten:

De Gersem, Prof. Dr. Herbert ; Clemens, Prof. Dr. Markus

Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung:

13 Mai 2022

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