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)

Modeling challenges in computational electromagnetics : large planar multilayered structures and finite-thickness irises

Stevanovic, Ivica ; Mosig, Juan Ramon (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3212.

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    Summary
    Abstract Printed multilayered media with metallizations embedded between dielectric layers are one of the most successful technologies for manufacturing planar structures with a good performanceto-price ratio. These structures range from PC board circuits, through cavity backed antennas and antenna arrays used in satellite communications, to waveguide filters. The approach most commonly used to model and analyze the aforementioned structures is the Integral Equation (IE) technique solved with Method of Moments (MoM). Applying IE-MoM with subsectional basis functions to electromagnetically large structures is demanding in terms of both computer memory allocation and time needed to solve the problem. Computationally efficient techniques are thus needed to accelerate the IE-MoM procedures and allow modeling of large circuits and antennas on standard desktop PCs. Subdomain Multilevel Approach (SMA) with Macro-Basis Functions (MBF) is one of the acceleration techniques, developed in our laboratory. Its application to modeling large antenna arrays has already proven to be very efficient. However, this technique can be improved, especially when MoM matrix filling time is concerned. This thesis proposes an improvement of the SMA using equivalent moments in computing the interactions between macro-basis functions. It shows that, without significant loss of accuracy, we obtain a two-fold gain in computational time for structures with the number of unknowns of the order 104. In structures operating at higher frequencies (thin films in millimeter and submillimeter wave bands) or with self supporting metallic plates, the thickness of metallic screens must be taken into account. Multilayered structures with apertures (holes) in thick conducting screens can be accurately modeled using the equivalence theorem and magnetic currents introduced at both aperture interfaces. This approach, however, doubles the number of unknowns as compared to that one of the zero-thickness case. Moreover, the thick aperture problem asks for the computation of cavity Green's functions, which is a difficult and time-consuming task for apertures of arbitrary cross-sections. This thesis addresses the problem of scattering by apertures in thick conducting screens by introducing an approximate and computationally efficient formulation. This formulation consists in treating the thick aperture as an infinitely thin one and in using the correction term in integral equation kernel that accounts for the screen thickness. The number of unknowns remains the same as in the zero-thickness screens and evaluation of complicated cavity Green's functions is obviated, which yields computationally efficient routines. The technique is successfully applied to self-supporting aperture antennas and thick irises within multilayered rectangular waveguides giving good results for apertures whose thickness is smaller than their lateral dimensions.
    Résumé
    Les milieux stratifiés planaires avec des métallisations entre les couches diélectriques représentent l'une des technologies les plus utilisées dans la fabrication des structures planaires avec un bon rapport performance/prix. Ces structures s'étendent des circuits imprimés aux filtres en guide d'ondes, en passant par les antennes à cavité et les réseaux d'antennes utilisés dans les communications par satellite. La technique de l'équation intégrale (IE) résolue avec la méthode des moments (MoM) est l'approche généralement la plus employée pour modéliser et analyser les structures susmentionnées. L'application de l'IE-MoM avec des fonctions de base subsectionnelles aux structures qui sont grandes du point de vue électromagnétique est exigeante en espace mémoire et en temps d'exécution. Des techniques efficaces sont donc nécessaires pour accélérer les procédures IE-MoM permettant de modéliser les circuits et antennes à grande échelle avec des ordinateurs standards. L'une des techniques d'accélération, développée au sein de notre laboratoire, est le "Subdomain Multilevel Approach" (SMA) avec les macro-fonctions de base (MBF). Cette technique s'est montrée très efficace dans la modélisation des réseaux d'antennes à grande échelle. Cependant, la technique peut être améliorée, particulièrement le paramètre temps, nécessaire pour remplir la matrice des moments est concerné. Cette thèse propose une amélioration de la technique SMA en utilisant les moments équivalents pour calculer les interactions entre les macro-fonctions de base. Elle permet, sans perte significative de précision, d'obtenir des simulations qui sont au moins deux fois plus rapides avec un nombre d'inconnues de l'ordre 104. Dans les structures fonctionnant aux fréquences plus élevées, l'épaisseur des écrans métalliques doit être prise en considération. Des structures en milieux stratifiés avec des ouvertures (trous) dans les écrans métalliques épais peuvent être modélisées avec précision en utilisant le théorème d'équivalence et en introduisant les courants magnétiques sur les deux interfaces de l'ouverture. Cette approche double, cependant, le nombre d'inconnues par rapport au cas de l'épaisseur-nulle. Par ailleurs, le problème d'ouverture épaisse demande le calcul des fonctions de Green pour les cavités, ce qui devient une tâche difficile quant aux ouvertures de formes transversales arbitraires. Cette thèse résoud le problème de la dispersion par des ouvertures des écrans métalliques épais en présentant une formulation approximative et efficace. Cette formulation consiste à traiter l'ouverture en la considérant comme infiniment mince et en appliquant le terme de correction, qui prend en compte l'épaisseur de l'écran, au noyau de l'équation intégrale. Le nombre d'inconnues demeure le même que dans le cas des écrans infiniment minces et le calcul des fonctions de Green pour les cavités est évité. La technique appliquée avec succès aux antennes à ouvertures des écrans métalliques épais et aux iris épais des guides d'ondes rectangulaires multicouches donne de bons résultats pour les ouvertures dont l'épaisseur est plus petite que leurs dimensions latérales.