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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
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Stable Broadband Finite Element Parasitic Extraction and Sensitivity Analysis
Language: English
Referees: De Gersem, Prof. Dr. Herbert ; Clemens, Prof. Dr. Markus
Date: 2022
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xi, 143 Seiten
Date of oral examination: 13 May 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00021561
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

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.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-215616
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 510 Mathematics
500 Science and mathematics > 530 Physics
600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Accelerator Science and Electromagnetic Fields
Date Deposited: 21 Jun 2022 12:01
Last Modified: 16 Aug 2022 08:35
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21561
PPN: 496568752
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