Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie électrique et électronique, Institut de transmissions, ondes et photonique ITOP (Laboratoire d'électromagnétisme et acoustique LEMA)

Electromagnetic analysis of 2.5D structures in open layered media

Llorens del Río, Daniel ; Mosig, Juan Ramon (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3183.

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    Summary
    This thesis presents a specialization of the integral equation (IE) method for the analysis of three-dimensional metallic and dielectric structures embedded in laterally unbounded (open) layered media. The method remains basically spatial but makes use of extensive analytical treatment of the vertical dependence of the problem in the 2D Fourier-transformed domain. The analytical treatment restricts somewhat the class of structures that can be analyzed. Still, the field of applicability remains very large, and includes most printed circuit and integrated circuit structures. The method is developed in full numerical detail, from first principles down to the properties of new Green's functions and the computation of particular types of convolution integrals. We show how the memory and time complexity are considerably reduced when compared to the requirements of the analysis of general 3D structures. With the newly developed tool, it is possible to deal with some peculiar characteristics of microwave and millimeter-wave circuits and antennas. Most noteworthy among these is the presence of thick metallizations (either electrically, or relative to circuit features). A novel full-wave analysis of arbitrarily shaped apertures in thick metallic screens is presented. This is compared to other methods, both full-wave and approximate, and demonstrated to offer excellent accuracy. Comparison with measured data, obtained from specially constructed prototypes, further validates the new technique. A second application is to the analysis of airbridges in coplanar waveguide (CPW) and slotline (SL) circuits. Comparison of measured and simulated data validates again our technique and provides valuable information about the behavior of CPW-fed slot loop antennas. Among the more specific applications, particular attention is devoted to the analysis and design of submillimeter-wave integrated dielectric lens feeds. These were object of study in the frame of a European Space Agency project, Integrated Front-End Receivers (IFER), which our Laboratory carried out in cooperation with a team at University of Toronto. The analysis method developed in this work encompasses and extends all previous work done at our Laboratory (LEMA) related with the analysis of this kind of feed. Together with the advanced 3D ray-tracing code developed at University of Toronto, it is possible to gain a high degree of insight into the behavior of these integrated receivers.
    Résumé
    Cette thèse présente une spécialisation de la méthode de l'équation intégrale (IE) pour l'analyse de structures tridimensionnelles métalliques et diélectriques situées dans des milieux multicouches latéralement illimités (ouverts). La méthode demeure fondamentalement spatiale mais se sert du traitement analytique de la dépendance verticale du problème dans le domaine transformé de Fourier 2D. Le traitement analytique limite légèrement la classe des structures qui peuvent être analysées. Toutefois, le champ de l'applicabilité demeure très grand, et inclut la plupart des structures de circuits imprimés et de circuits intégrés. La méthode est développée de manière très detaillée, des premiers principes aux propriétés de nouvelles fonctions de Green et au calcul des types particuliers d'intégrales de convolution. Nous montrons comment la complexité de mémoire et de temps est considérablement réduite lorsqu'on la compare aux exigences d'analyse de structures 3D générales. Avec l'outil nouvellement développé, il est possible de traiter certaines caractéristiques particulières des circuits et antennes de micro-ondes et d'ondes millimétriques. La plus remarquable parmi ces dernières est la présence des métallisations épaisses (que cela soit électriquement, ou relative aux dispositifs du circuit). Une nouvelle analyse full-wave des ouvertures avec une forme quelconque dans des écrans métalliques épais est présentée. Ceci est comparé à d'autres méthodes, full-wave et approximées, et il est démontré que la nouvelle méthode offre une précision excellente. La comparaison avec des données mesurées, obtenues à partir des prototypes spécialement construits, valide la nouvelle technique. Une deuxième application est l'analyse "d'airbridges" dans des circuits de guides d'onde coplanaires (CPW) et circuits de lignes à fentes (SL). La comparaison des données mesurées et simulées valide encore notre technique et fournit des informations valables au sujet du comportement des antennes de boucle à fentes alimentées par CPW. Parmi les applications plus spécifiques, une attention particulière est consacrée à l'analyse et la conception d'alimentations avec lentilles diélectriques intégrées pour la bande d'ondes submillimétriques. Ces alimentations étaient l'objet d'étude dans le cadre d'un projet de l'Agence Spatiale Européenne (ESA), Integrated Front-End Receivers (IFER), que notre laboratoire a effectué en coopération avec une équipe de l'Université de Toronto. La méthode d'analyse développée dans ce travail entoure et prolonge tous les travaux précédents faits au LEMA en relation avec l'analyse de ce genre d'alimentation. Ensemble avec le code 3D "ray-tracing" avancé développé à Toronto, il est possible de gagner un degré élevé de connaissances dans le comportement de ces récepteurs intégrés.
    Summary
    This thesis presents a specialization of the integral equation (IE) method for the analysis of three-dimensional metallic and dielectric structures embedded in laterally unbounded (open) layered media. The method remains basically spatial but makes use of extensive analytical treatment of the vertical dependence of the problem in the 2D Fourier-transformed domain. The analytical treatment restricts somewhat the class of structures that can be analyzed. Still, the field of applicability remains very large, and includes most printed circuit and integrated circuit structures. The method is developed in full numerical detail, from first principles down to the properties of new Green's functions and the computation of particular types of convolution integrals. We show how the memory and time complexity are considerably reduced when compared to the requirements of the analysis of general 3D structures. With the newly developed tool, it is possible to deal with some peculiar characteristics of microwave and millimeter-wave circuits and antennas. Most noteworthy among these is the presence of thick metallizations (either electrically, or relative to circuit features). A novel full-wave analysis of arbitrarily shaped apertures in thick metallic screens is presented. This is compared to other methods, both full-wave and approximate, and demonstrated to offer excellent accuracy. Comparison with measured data, obtained from specially constructed prototypes, further validates the new technique. A second application is to the analysis of airbridges in coplanar waveguide (CPW) and slotline (SL) circuits. Comparison of measured and simulated data validates again our technique and provides valuable information about the behavior of CPW-fed slot loop antennas. Among the more specific applications, particular attention is devoted to the analysis and design of submillimeter-wave integrated dielectric lens feeds. These were object of study in the frame of a European Space Agency project, Integrated Front-End Receivers (IFER), which our Laboratory carried out in cooperation with a team at University of Toronto. The analysis method developed in this work encompasses and extends all previous work done at our Laboratory (LEMA) related with the analysis of this kind of feed. Together with the advanced 3D ray-tracing code developed at University of Toronto, it is possible to gain a high degree of insight into the behavior of these integrated receivers.
    Summary
    Resumen Esta tesis presenta una especialización del método de la ecuación integral (IE) para el análisis de estructuras metálicas y dieléctricas en tres dimensiones inmmersas en un medio estratificado abierto, es decir, un medio cuyos parámetros varían exclusivamente en una dirección. El método es básicamente espacial, pero hace use de un tratamiento analítico extensivo de la dependencia vertical del problema (de acuerdo con la estratificación) en el dominio transformado de Fourier. Aunque los requisitos de este tratamiento analítico restringen en cierta media el tipo de estructuras que pueden ser analizadas, el campo de aplicación es muy amplio, e incluye la mayor parte de circuitos impresos y de circutos integrados. Se empieza por desarrollar el método con todo detalle, desde las ecuaciones de base hasta las propiedades de las funciones de Green y el cálculo de ciertas integrales de convolución. Se ponen de relieve las dificultades numéricas. Se muestra cómo la memoria y el tiempo de análisis se ven reducidos gracias al precálculo de la dependencia vertical del problema, en comparación con las exigencias de un método que fuera capaz de tratar una estructura 3D arbitraria. Una vez que las bases de la nueva técnica han quedado establecidas, se considera su aplicación a ciertas características de los circuitos impresos de alta frequencia. Entre éstas, la más destacable es el análisis de metalizaciones gruesas. Se presenta un nuevo método de onda completa para el análisis de aperturas de forma arbitraria en pantallas metálicas gruesas. Se ha comparado este método con otros, tanto de onda completa como aproximados, así como con medidas, y se ha demostrado una precisión excelente. Una segunda aplicación es el análisis del efecto de puentes (air-bridges) en circuitos basados en línea de ranura (SL) y línea coplanar (CPW). La comparación de medidas y simulaciones proporciona información valiosa sobre el comportamiento de las antenas de lazo alimentadas por línea coplanar. La aplicación final es al análisis y diseño de antenas primarias para lentes dieléctricas. Nuestro Laboratorio colaboró con un equipo de la Universidad de Toronto en el proyecto de la Agencia Espacial Europea Integrated Front-End Receivers (IFER), dedicado al estudio de este tipo de sistemas. El método de análisis que aquí se presenta permite, junto con las nuevas técnicas de trazado de rayos desarrolladas en Toronto, una mejor comprensión de su comportamiento.