Development of a rigorous and efficient electromagnetic simulation algorithm for 3-D printed structures in multilayer environment

Abstract

Çok Katmanlı Ortamlarda 3-Boyutlu Baskılı Yapılar için Doğru veVerimli Elektromanyetik Benzetim Algoritmasının GeliştirilmesiYazar: Tayyar ÖNALÖZETÇok katmanlı ortamlarda çoklu düşey iletkenli baskılı devreler için ayrık kompleksgörüntü metodu ile ilişkili moment metodu (MoM-DCIM) kullanan verimli ve doğru birelektromanyetik benzetim algoritması geliştirilmiştir. Bu yaklaşımın yatay ve düşeyiletkenler içeren tek katmanlı ortamlar ile sadece yatay iletkenler içeren çok katmanlıortamlardaki baskılı devrelerin analizinde oldukça verimli olduğu daha önce kanıtlandığıiçin, bu yaklaşım birden çok katmanları kapsayan yatay ve düşey iletkenli daha genelgeometriler için genişletilmiştir. Bununla birlikte, bir veya daha çok katmanları kapsayançoklu düşey iletkenli baskılı devrelerin analizinde bu tezde geliştirilen algoritmamuhtemelen en verimli yaklaşımdır. Bu bağlam içinde verimlilik, çoklu düşeyiletkenlerin analizinin MoM matrisinin doldurulmasına hemen hiçbir maliyetgetirmemesine işaret etmektedir. Verilen bütün düşey iletkenler dikey doğrultuda aynıbağımlılıktadır. Verimliliğin daha çok MoM-DCIM kullanımının yan ürünü olduğudüşünüldüğünden, çoklu düşey iletkenlerin verimli bir şekilde uygulanmasınıkolaylaştıran aşamalar vurgulanarak önerilen algoritma sunulmuştur. Algoritmayıdoğrulamak amacıyla, çoklu düşey şeritler de içeren bazı gerçekçi devreler ve düzlemselantenler analiz edilmiş, ve elde edilen sonuçlar literatürde sunulan ve ticari olarakkullanılan yazılımının sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Önerilenem-SONNETalgoritmanın verimliliğinin eklenen düşey iletkenlere bağlı olarak değerlendirilmesiamacıyla, ana işlem birimi (CPU) zamanı açısından hesaplama maliyeti eklenen düşeyiletken sayısının bir fonksiyonu olarak verilmiştir. Eklenen düşey iletkenlerin, halihazırda tek bir düşey iletken için hesaplanmış olan MoM matris elemanlarına ek olarakihmal edilebilecek bir hesap maliyeti getirdiği gözlenmiştir.Anahtar Kelimeler: Moment Metodu, 3-Boyutlu Baskılı Yapılar, Düşey letkenler,Kapalı Form Green Fonksiyonları, Ayrık Kompleks Görüntü Metodu

Development of a Rigorous and Efficient Electromagnetic SimulationAlgorithm for 3-D Printed Structures in Multilayer EnvironmentAuthor: Tayyar ÖNALABSTRACTAn efficient and rigorous electromagnetic simulation algorithm, based on the method ofmoments in conjunction with discrete complex image method (MoM-DCIM), isdeveloped for printed structures with multiple vertical conductors extending throughmultilayer media. As this approach, MoM-DCIM, has already proved to be very efficientto analyze printed structures with only horizontal conductors in multilayer environment,and with horizontal and vertical conductors in single-layer media, it is extended to moregeneral geometries with horizontal conductors and vertical conductors spanning morethan one layer. Moreover, the algorithm developed in this thesis is possibly the mostefficient approach to handle printed circuits with multiple vertical conductors, spanningone or more layers. Efficiency in this context refers to handling multiple verticalconductors with almost no filling cost of the MoM matrix, provided all verticalconductors have the same dependence in the vertical direction. Since the efficiency in thissense can be considered more like a by-product of employing MoM-DCIM in suchstructures, the proposed algorithm is presented emphasizing the steps that facilitate suchan efficient implementation of multiple vertical conductors. Some realistic circuits andplanar antennas, with and without multiple vertical strips are analyzed, and results arecompared to those presented in the literature and obtained from the commercial softwareem by SONNET to validate the algorithm. To assess the efficiency of the proposedalgorithm with additional vertical conductors, computational cost in terms of CPU time isprovided as a function of additional number of vertical conductors. It is observed thatadditional vertical conductors have almost negligible computational cost over that ofalready calculated MoM matrix entries for a single vertical conductor.Keywords: Method of Moments, 3-D Printed Structures, Vertical Conductors, Closed-Form Green?s Functions, DCIM