Development of automated frequency and time-domain radiated electromagnetic emission models for microelectronic applications

• Auteur / Autrice : Abhishek Ramanujan
• Direction : Anne Louis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Rouen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences physiques mathématiques et de l'information pour l'ingénieur (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime....-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en systèmes électroniques embarqués (Saint-Étienne-du-Rouvray, Seine-Maritime2001-...)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microélectronique

Analyse temps-fréquence

Algorithmes optimaux

Optimisation mathématique

Modèles mathématiques

Émission de champ

Compatibilité électromagnétique

Résumé

La compatibilité électromagnétique (CEM) des composants électroniques est devenue indispensable pour la conception des systèmes embarqués microélectroniques. Les modèles CEM aident les concepteurs de circuits à comprendre le comportement du système avant même sa fabrication. Dans ce contexte, un modèle électromagnétique générique des émissions rayonnées, optimisé et compatible avec la modélisation des dispositifs microélectroniques miniatures a été développé. L’architecture de base de ce modèle a été inspirée du modèle du champ magnétique développé antérieurement à l’IRSEEM. Dans un premier temps un modèle mono-fréquence capable de reproduire et de prévoir le champ électromagnétique rayonné au-dessus d’un dispositif électronique sous test a été développé. Un réseau de dipôles électriques élémentaires associé à une nouvelle méthode d’extraction incorporant un algorithme d’optimisation non-linéaire, sont mis en oeuvre. Le rôle de la permittivité relative du dispositif sous test est pris en compte dans la procédure de modélisation. Le modèle a été validé sur plusieurs composants micro-ondes classiques, miniatures et circuits « on-chip ». L’optimisation mathématique du modèle l’a rendu plus robuste et par conséquent applicable aux dispositifs complexes. Le nouveau concept a été validé sur deux cas de test. Deuxièmement, le modèle mono-fréquence a été étendu afin de prédire le champ électromagnétique large-bande et, par conséquent, le champ dans le domaine temporel. La méthode de série de Fourier est utilisée pour transférer les données du domaine fréquentiel vers le domaine temporel. Le principe de modélisation a été validé par des simulations effectuées avec un logiciel électromagnétique 3D. Enfin, un environnement convivial de modélisation (outil) a été développé.

With component level electromagnetic compatibility (EMC) taking the front stage in design of embedded microelectronic systems, EMC models help circuit designers in understanding the behavior of the system even before its fabrication. In this context, generic electromagnetic emission models, optimized and compatible to modeling miniature microelectronic devices, are developed. The basic architecture of the models has been inspired from a previously existing magnetic field model developed in IRSEEM. First, a mono-frequency model capable of reproducing and predicting the radiated electromagnetic fields above any device is developed. A set of elementary electric dipole is used to represent the model and a state-of-the art extraction method, incorporating a non-linear optimization algorithm, is implemented in order to extract the model parameters. The role of the effective relative permittivity of the DUT is taken into account in the modeling procedure. The model has been validated on several conventional microwave components, miniature and “on-chip” devices. The computational performance of the model is then optimized and made robust suitable for application to complex devices. As a proof of concept, the method is validated on a couple of test cases. Second, the monofrequency model is extended toward predicting the large-band electromagnetic fields and thereby the time-harmonic fields. Fourier series based method is used for transforming the wide-band frequency data into time-domain. The modeling principle is validated with time-domain simulations performed in a 3D electromagnetic software. Finally, an integrated development environment has been developed in order to facilitate the use of the developed emission models. The menu-based intuitive tool provides the right environment for engineers and designers to use and test the models for specialized applications.