Mod?lisation ?lectromagn?tique rapide de structures SIW par ?quations int?grales

par Josip Seljan

Thèse de doctorat en E?lectronique

Sous la direction de Ronan Sauleau et de Mauro Ettorre.


  • Résumé

    La demande pour des syst?mes RF plus compacts avec des bandes plus larges a pouss? l'exploration de bandes toujours plus hautes en fr?quence for?ant un transfert des technologies existantes et l'invention de nouvelles pour ces bandes. Parmi les principaux obstacles rencontr?s dans cet effort, se trouvent le probl?me du confinement de champ, les pertes di?lectriques importantes, et les difficult?s d'int?gration entre deux syst?mes con?us avec une technologie diff?rente. Afin de pallier ? ces probl?mes, plusieurs nouvelles technologies sont apparues durant ces deux derni?res d?cennies. Une des plus prometteuse est le guide d'onde int?gr? au substrat (ou SIW pour Substrate Integrated Waveguide). Sa caract?ristique principale est la possibilit? d'int?grer les guides d'onde dans un substrat, le plus souvent en int?grant des cylindres m?talliques ou di?lectriques dens?ment dispos?s, dans un substrat dont les faces, inf?rieure et sup?rieure, sont hautement conductrices. Cette technologie offre une libert? sans pr?c?dent ? la gamme de syst?mes pouvant ?tre r?alis?s. La richesse de possibilit?s de designs, la robustesse et la solidit? des performances ont conduit ? un nombre tr?s larges de syst?mes SIW, certains d'entre eux trouvant place dans des applications commerciales. L'inconv?nient de cette technologie provient du tr?s grand nombre d'?l?ment n?cessaire et de la complexit? de son agencement. Par cons?quent, ils pr?sentent un d?fi du point de vue d'un concepteur, n?cessitant des analyses num?riques et des optimisations. Les solveurs les plus couramment utilis?s ? cette fin sont bas?s sur la F?M, la FDTD / FDFD et MoM, ou sur une fusion de plusieurs m?thodes. Bien qu'ils soient ? la hauteur pour une vaste gamme de structures, les plus rapides et plus pr?cis sont tr?s recherch?s. Cette th?se porte sur une m?thode num?rique hybride adapt?e ? l'analyse d'une vaste gamme de structures SIW planaires. Elle repose sur une repr?sentation efficace des champs dans des guides d'ondes ? parois parall?les, charg?s avec des di?lectriques planaires simples ou multicouches contenant des cylindres ; elle permet la construction de syst?mes lin?aires dont les solutions donnent les amplitudes de champ post-dispersion. Ce probl?me est ce que nous appelons le mode-matching, et fournit des moyens de calcul rapide de champ en pr?sence de cylindres m?talliques et di?lectriques. ?tant donn? qu'une part importante de ces dispositifs utilise des fentes rectangulaires ?troites comme ?l?ments de couplage et de rayonnement, nous proposons une approche bas?e sur les MoM pour leur analyse. Gr?ce ? l'application du principe d'?quivalence, chaque fente remplac?e par des courants magn?tiques ?quivalents; la proc?dure divise efficacement le probl?me le plus large en plusieurs plus petits, chacun appartenant ? une r?gion d?limit?e par des plaques PEC parall?les (un seul guide d'ondes ? plans parall?les). En exer?ant les conditions aux limites sur les surfaces des fentes et en effectuant la pond?ration Galerkin, on obtient un syst?me lin?aire dont les solutions sont les amplitudes des courants magn?tiques. De l?, nous proc?dons au calcul des quantit?s pertinentes telles que les param?tres S, Y et Z. Nous fournissons des crit?res empiriques pour choisir le nombre de modes / fonctions de base suffisantes pour une grande pr?cision. En outre, nous pr?sentons des techniques d'approximation et montrons comment exploiter les sym?tries inh?rentes ? des dispositifs SIW afin d'acc?l?rer encore plus la m?thode. Nous pr?sentons les r?sultats de l'analyse de plusieurs structures SIW, obtenus par notre code en interne sur la base de la m?thode expos?e ici, et les comparons ? ceux obtenus avec un solveur commercial standard. Les r?sultats obtenus montrent une excellente pr?cision et efficacit? de la m?thode propos?e. Le facteur d'acc?l?ration, la robustesse et la g?n?ralit? en font un outil attrayant pour ?tre utilis? dans la conception et l'optimisation des dispositifs SIW.

  • Titre traduit

    Fast integral-equation analysis of SIW devices


  • Résumé

    With constant demand for larger band and more compact RF devices, the rapid shift to higher frequency regions, as high as the W-band (75 to 110 GHz), forces microwave designers to both transfer existing technologies to and invent new ones for these bands. The major obstacles encountered in this endeavour are the problem of efficient field confinement, problematic electrical contacts, high dielectric losses, and difficult integration between devices realized with different technologies, to name a few. To overcome these issues, several competing technologies emerged in the past two decades. One of the most promising is the substrate-integrated waveguide (SIW) paradigm. Its key feature is the possibility of integrating waveguides into substrates, most often done by embedding densely-packed metal and dielectric cylinders into substrates bounded by highly-conductive layers, e.g. PCB-type ones. This provides unprecedented freedom in the range of devices that can be realized. Though commonly planar, these devices may have sidewalls of almost arbitrary shape and can be easily integrated with ones realized in alternative technologies, such as the coplanar-waveguide or microstrip technology. The richness in design possibilities, robustness and solid performance has led to a very large number of SIW devices, some of them finding place in commercial applications. Unfortunately, they often comprise a large number of elements and have complex layouts. Hence, they present a challenge from a designer?s perspective, necessitating numerical analysis and optimization. The most common solvers used for that purpose are based on FEM, FDTD/FDFD, and MoM, or merge several methods. Though they are up to the task for a vast range of structures, faster and more accurate ones are highly sought for. This thesis is concerned with a hybrid numerical method suited to the analysis of a vast range of planar SIW structures. It relies on an efficient representation of fields in parallel-plate waveguides, loaded with either single or multi-layer planar dielectrics, containing circular cylindrical posts; it enables the construction of linear systems whose solutions yield post-scattered field amplitudes. This problem is what we refer to as mode-matching, and provides means of fast computation of field in presence of metal and dielectric posts. Since a significant share of such devices use narrow rectangular slots as coupling and radiating elements, we propose an MoM-based approach to their analysis. Through the application of the equivalence principle, each slot replaced by equivalent magnetic currents; the procedure effectively partitions the larger problem into several smaller ones, each pertaining to a region bounded by parallel PEC plates (a single parallel-plate waveguide). Enforcing the boundary conditions at surfaces of slots and performing Galerkin weighting, we obtain a linear system whose solutions are the amplitudes of magnetic currents. From there we proceed to the computation of relevant quantities such as S, Y and Z parameters. We provide empirical criteria for choosing the number of modes/basis functions sufficient for high accuracy. Moreover, we present approximation techniques and show how to exploit symmetries inherent in SIW devices to speed up the method even further. To stress the features rendering our approach advantageous over the alternatives,we compare it to ones found in literature representing what we believe to be the most successful attempts. We present the results of analysis of several SIW structures of varying complexity, obtained by our in-house code based on the method exposed here, and compare them against the ones obtained with a standard commercial solver. The obtained results show excellent accuracy and efficiency of the proposed method. The speed-up factor, the robustness and generality make it an attractive tool to be used in design and optimization of SIW devices.


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