RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Problematiche di compatibilità elettromagnetica e integrità di segnale nella progettazione di sistemi ad alte prestazioni

Università di riferimento

Università degli Studi di CASSINO - AUTOMAZIONE, ELETTROMAGNETISMO, INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE E MATEMATICA INDUSTRIALE - CASSINO(FR)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Guglielmo RUBINACCI

Descrizione

Ai fini di una rappresentazione circuitale equivalente delle interconnessioni, possono essere individuate tre regioni: una zona vicina ai dispositivi da connettere in cui prevalgono effetti di prossimità legati sia alla natura dei componenti che alla particolare geometria tridimensionale delle connessioni, una zona centrale in cui la propagazione può essere adeguatamente descritta da modi guidati, ed una zona di transizione intermedia. Occorre comunque tenere presente che, trattandosi di strutture elettromagneticamente aperte, è necessario a rigore considerare anche lo spettro continuo, il che giustifica il ricorso a metodi di simulazione numerica. L'approccio classico mediante linee di trasmissione è valido con buona approssimazione nella zona centrale. Tale approccio non consente di rappresentare adeguatamente brusche variazioni di geometria localizzate, come ad esempio la regione vicina ai dispositivi e la regione di transizione. In queste ultime, spesso geometricamente complesse, possono prevalere effetti quasi statici. Una volta modellata numericamente ogni singola regione prima identificata, occorre poi senz'altro prevedere una fase di sintesi che permetta una efficace descrizione dell'interazione tra modelli di complessità crescente, attraverso eventualmente modelli di ordine ridotto. Il programma di ricerca che si propone l'Unità prevede le seguenti attività. a) Modelli semi-analitici per la simulazione della regione di transizione. b) Modelli numerici quasi statici per l'estrazione di parametri. c) Modelli numerici integrali "full wave". d) Verifiche sperimentali. Nel seguito si dettagliano gli obiettivi, i tempi e i risultati attesi da ciascuna di queste attività, con riferimento alle tre fasi operative individuate nel modello A. a) Modelli semi-analitici per la simulazione degli effetti radiativi nella regione di transizione. Obiettivo di questa attività è quello di estendere a casi più generali alcuni modelli semi-analitici che l'Unità di Cassino ha già sviluppato con riferimento a situazioni particolari di interesse applicativo. Il primo di questi modelli è il già citato modello ETL ("Enhanced transmission line") che consente di descrivere, anche se in modo approssimato, il comportamento delle interconnessioni nella regione di transizione. Attualmente il modello consente di descrivere linee bifilari con conduttori cilindrici paralleli immersi in un dielettrico omogeneo ed è in corso l'estensione a conduttori a sezione non circolare. L'attività di ricerca si pone come obiettivo l'estensione di tale modello a configurazioni molto significative dal punto di vista delle applicazioni e sarà svolta in stretta collaborazione con l'Unità di Napoli. Il modello ETL sarà esteso a: 1) strutture con perdite significative; 2) strutture con materiali dielettrici non omogenei; 3) strutture a multiconduttore. L'Unità di Cassino si concentrerà sui primi due punti, quella di Napoli sul secondo e terzo. Il primo punto affronterà lo studio di configurazioni che presentino, nella banda di transizione, perdite significative (ad esempio perdite per radiazione o perdite ohmiche nei conduttori e nei substrati conduttivi). Lo sviluppo del secondo punto consentirà di affrontare lo studio delle microstrisce e delle interconnessioni caratterizzate da vari strati di materiali aventi caratteristiche dielettriche diverse (strutture multilayer). Il secondo modello che l'Unità di Cassino intende estendere a configurazioni più generali si basa su una rappresentazione particolarmente vantaggiosa della corrente sulle strutture guidanti mediante pochi termini di espansione. Questo modello è stato sviluppato presso l'Unità di ricerca di Cassino con riferimento ad una struttura guidante planare tipo microstriscia mediante sovrapposizione di modi confinati e di modi leaky, a cui si aggiunge uno spettro continuo residuo. Tale rappresentazione è particolarmente interessante nel caso in cui l'andamento della corrente, e quindi del campo, in prossimità della struttura guidante può essere approssimata aggiungendo ai modi confinati uno o al più modi leaky. L'effettiva rilevanza dei modi leaky nella rappresentazione è stato oggetto di studio approfondito nell'ambito delle antenne e dei sistemi radianti per applicazioni terapeutiche ed industriali. Il gruppo di ricerca si propone un analogo studio per alcune strutture guidanti di interesse nell'ambito delle interconnessioni. In particolare, sarà: 1) valutato il contributo dei modi leaky al variare dei parametri geometrici ed elettromagnetici, in modo da identificare eventuali configurazioni che determinano una loro bassa eccitazione, (e quindi un limitata interferenza); 2) effettuato uno studio della risposta nel dominio del tempo di strutture planari di interesse nell'ambito delle interconnessioni, che permetterà di chiarire l'effettivo ruolo dei modi leaky nel caso di segnali tipicamente presenti sui bus dati. Un ulteriore modello è relativo al problema della miniaturizzazione delle piste, che porta ad ottenere valori di larghezza e di spessore delle piste confrontabili. Conseguentemente non è più possibile considerare le piste di spessore infinitesimo. Recentemente, questa Unità di ricerca ha sviluppato un metodo per lo studio della diffusione da strutture spesse. Ci si propone di 1) generalizzare tale metodo allo studio di piste di spessore finito. 2) estendere il modello in modo da poter studiare la risposta della struttura guidante a disturbi simulati mediante onde piane incidenti. Fasi previste: Mesi 0-4 a.1. Analisi teorica Con riferimento ai primi due modelli citati, questa fase verrà dedicata allo: 1) studio dell'influenza dei vari meccanismi di perdita in interconnessioni nella regione di transizione; 2) studio dell'influenza dei parametri geometrici ed elettromagnetici sui modi leaky. Oggetto del primo studio saranno interconnessioni di interesse applicativo caratterizzate da frequenze e configurazioni tali per cui le perdite ohmiche e le perdite per radiazione non siano trascurabili rispetto alla potenza guidata. L'obiettivo è quello fornire indicazioni utili sul peso assoluto e relativo di tali fattori di perdita nei casi analizzati. Scopo della seconda attività di ricerca è quello di individuare le configurazioni, in termini di parametri geometrici ed elettromagnetici, atte a limitare l'interferenza dovuta ai modi leaky Mesi 4-16 a.2. Generalizzazione e implementazione dei modelli Con riferimento al primo dei modelli citati, questa seconda fase verrà dedicata all'estensione del modello ETL a strutture con materiali dielettrici non omogenei Per quanto riguarda il terzo modello, in questa fase se ne prevede l'estensione in modo da poter tenere in conto da un lato lo spessore finito della metallizzazione, e dall'altro l'influenza di disturbi esterni sull'integrità dei segnali. Risultati attesi 1) Implementazione numerica del modello ETL per interconnessioni con perdite, di forma qualsiasi e caratterizzati da dielettrici non omogenei. 2) Implementazione numerica del modello per la stima dei modi leaky al variare di parametri geometrici ed elettromagnetici 3) Messa a punto di un modello analitico per lo studio della diffusione da strutture spesse con uno spessore della metallizzazione finito e dell'effetto di disturbi esterni sull'integrità dei segnali. Collaborazioni: Unità di Napoli b) Modelli numerici quasi statici per l'estrazione di parametri. Obiettivo di questa attività è quello di estendere e migliorare la tecnica di estrazione dei parametri equivalenti di strutture di interconnessione elettricamente lunghe o corte, basata sulla generalizzazione dell'approccio PEEC di cui si è discusso nella base di partenza scientifica. Il modello attuale (quasi-statico) è descritto dall'equazione integrale per il campo elettrico, rappresentato con l'ausilio del potenziale vettore elettrico. La formulazione numerica risultante è basata sull'uso di edge elements in un contesto in cui, come già evidenziato nella base scientifica di partenza, viene assicurata una discretizzazione ottimale delle equazioni del campo anche in termini di numero di incognite, grazie alla particolare gauge adottata. Le configurazioni tridimensionali delle interconnessioni pongono vincoli topologici legati alle molteplicità di connessione delle geometrie in esame. Per questo problema si è già sviluppata una efficiente procedura automatica di calcolo che consente di estrarre l'impedenza per unità di lunghezza di una interconnessione che sia elettricamente lunga in una dimensione (quindi un problema 2D) e la matrice delle impedenze per una interconnessione elettricamente corta in ogni dimensione (quindi un problema 3D). L'attuale modello necessita di tre principali interventi: l'estensione al caso quasi-stazionario elettrico, la riduzione del costo computazionale dell'estrazione dei parametri e la validazione sperimentale L'attività di ricerca si propone, quindi, di fornire: 1) la descrizione degli effetti legati (in condizioni quasi stazionarie) agli accumuli di cariche; 2) una soluzione veloce delle equazioni del campo per mezzo di tecniche tipo FMM calibrate in modo ottimizzato per il modello vettoriale in esame; 3) l'estensione delle tecniche di inversione veloce al modello nel dominio del tempo 4) l'implementazione dei modelli discreti su sistemi di calcolo parallelo. 5) la validazione sperimentale del modello Il primo punto sarà sviluppato con l'introduzione autoconsistente, nell'equazione integrale, di un termine che tenga conto dei correlati effetti capacitivi. In tal modo la rappresentazione ai morsetti del sistema, al variare della frequenza consentirà in modo automatico di dare luogo alla corretta transizione tra i modelli quasi statici elettrici e magnetici. Per quanto riguarda il secondo ed il terzo punto, è da osservare che le tecniche FMM consentiranno altresì di descrivere effetti di interazione induttiva e capacitiva tra sottosistemi con un numero ottimale di parametri in relazione all'errore numerico ammissibile. Per quel che concerne il quarto punto va evidenziata sia l'esperienza acquisita dai ricercatori dell'Unità nella realizzazione di un sistema di calcolo parallelo del tipo "Beowulf" a 16 nodi, sia la naturale propensione dei modelli integrali ad una efficiente parallelizzazione. Il quinto punto, infine, prevede il confronto tra i risultati forniti dal modello e quelli relativi a campagne di misura effettuate su interconnessioni a livello di chip e di package presso il Laboratorio di Ricerca LFI di Hannover, Germania (Laboratorium fur Informationstechnologie). Fasi previste Mesi 1-6 b.1 Analisi di situazioni reali ai fini di identificare 'geometrie' di riferimento per la messa a punto di adeguati modelli numerici. Mesi 6-18 b.2 Sviluppo dei modelli di calcolo previsti Mesi 12-24 b.3 Confronto del modello con situazioni di interesse per le applicazioni, in stretta collaborazione con il Laboratorio di Ricerca LFI di Hannover Risultati attesi: Messa a punto di modelli numerici per l'estrazione di parametri circuitali e loro validazione con riferimento a casi di interesse applicativo Collaborazioni: Laboratorio di Ricerca LFI di Hannover c) Modelli numerici integrali "full-wave". Il modello integrale messo a punto in bassa frequenza verrà esteso, secondo linee già richiamate nella base scientifica e che possono essere ricondotte a quelle che caratterizzano il modello PEEC, per descrivere configurazioni in cui prevalgono effetti propagativi. Fasi previste Mesi 1-6 c.1 Sviluppo del modello di calcolo con particolare attenzione all'integrazione delle singolarità della funzione di Green nel dominio della frequenza Mesi 6-18 c.2 Implementazione del codice con sviluppo delle procedure per il calcolo automatico di un modello di ordine ridotto Mesi 12-24 c.3 Validazione del modello di calcolo per confronto con i modelli semianalitici sviluppati nell'attività descritta al punto a) e con i dati sperimentali ottenuti con l'attività descritta al punto d). Collaborazioni: Unità di Napoli Risultati attesi Modello numerico integrale fullwave validato d) Verifiche sperimentali E' prevista una attività sperimentale, con l'obiettivo di verificare i modelli numerici sviluppati mediante prove sperimentali in una camera semi-anecoica. L'attenzione sarà rivolta ad una misura della caratteristica ingresso/uscita (ad esempio in termini di matrice delle impedenze) delle interconnessioni e di misure della potenza radiata. Nel presente ambito, le attività sperimentali sono particolarmente difficoltose in quanto coinvolgono la misura di quantità che possono essere "piccole". Infatti, l'obiettivo primario dell'analisi sperimentale è lo studio di configurazioni nelle quali le interconnessioni, pur non potendo più essere considerate linee di trasmissione, siano ancora utilizzabili per "guidare" e non per irradiare i segnali elettrici. In tali situazioni, quindi, è richiesta la misura di scostamenti del comportamento dal modello classico che possono essere modesti. Ad esempio è di notevole interesse stimare la potenza persa per radiazione che, per quanto non trascurabile, è tuttavia piccola rispetto alla potenza totale che si propaga lungo la struttura. Il problema della misura di quantità "piccole" si incontra sempre nella caratterizzazione di queste configurazioni, sia che le interconnessioni siano "elettricamente lunghe" (descritte ad esempio da modelli a linea generalizzati), sia che siano "elettricamente corte", come ad esempio le transizioni (vias, gomiti, raccordi,…). Dal punto di vista operativo, saranno effettuate misura a larga banda (fino a frequenze di microonde) dei parametri di diffusione di strutture di interesse nei problemi di interconnessione quali linee bifilari o strutture planari tipo microstriscia, mediante analizzatore di reti vettoriale, disponibile presso la sede di Cassino. La misura dei parametri di diffusione con accuratezza nella banda necessaria per la validazione dei modelli richiede particolare attenzione nella definizione del set-up di misura. In particolare, la correzione della risposta delle transizioni presenti tra i cavi coassiali dello strumento di misura e la struttura guidante in prova rende necessario lo sviluppo di tecniche di correzione ad hoc. Ci si propone in particolare di indagare l'utilizzo sia di metodi basati sul calcolo della risposta dei connettori tramite programmi agli elementi finiti e alle differenze finite, sia metodi basati sul filtraggio nel dominio del tempo della risposta dei connettori. Per ottenere una sufficiente risoluzione temporale, le misure saranno effettuate fino a 20 GHz. L'attività sperimentale sarà articolata nelle due seguenti fasi: Mesi 6-18 d.1. Sviluppo di tecniche di de-embedding basate sia sul calcolo accurato della risposta in frequenza delle transizioni, sia sul filtraggio nel dominio del tempo. Mesi 8-18 d.2 Analisi dell'influenza delle transizioni sulle misure e validazione sperimentale Scopo di questa fase è quello di individuare le configurazioni sperimentali più adatte alla validazione di modelli di linee bifilari e di strutture planari in microstriscia sviluppati dall'unità di ricerca. In particolare, si pensa di effettuare misure, nella banda 40MHz-5GHz, di linee bifilari e microstrisce con parametri geometrici ed elettromagnetici tipici delle interconnessioni: lunghezza della linea dell'ordine di 20 cm, distanza tra le linee, o altezza del substrato dell'ordine di 1 cm. Collaborazioni: Unità di Napoli Risultati attesi: messa a punto di metodi di misura per la caratterizzazione di strutture di interesse applicativo e validazione dei modelli semi-analitici e numerici proposti.