Stabilität und Anwendbarkeit von Kalibrierverfahren bei der Übertragung auf numerische Simulationen

Abstract

DIE Simulation von Problemstellungen im Bereich der Hochfrequenztechnik nimmt einen immer wichtigeren Platz ein. Mit sich stetig verbessernder Rechentechnik werden die lösbaren Problemstellungen immer größer und die Lösungen immer genauer. Ein kritischer Punkt in Simulationen ist die Modellierung der Anregung von Strukturen. Kommerziell verfügbare Software stellt dafür verschiedene, sich in Qualität und Genauigkeit unterscheidende, Möglichkeiten zur Verfügung, die alle ihre eigenen Vor- und Nachteile besitzen. Ziel dieser Arbeit ist es, aus der Hochfrequenzmesstechnik, speziell der vektoriellen Netzwerkanalyse, bekannte Kalibrierverfahren auf die Anregung von Strukturen in numerischen Simulationen zu übertragen und ihre Stabilität in diesem Anwendungsfall zu untersuchen. Aufgrund seiner vielen Vorteile wird dabei besonderes Augenmerk auf das Thu-Reflect-Line-Verfahren gelegt. Kapitel 1 gibt eine allgemeine Übersicht über die geschichtliche Entwicklung und die Möglichkeiten der Computersimulation. In Kapitel 2 wird die Problemstellung aufgezeigt und es werden die in verbreiteten Softwarepaketen üblicherweise verfügbaren Anregungsarten erläutert. Kapitel 3 beschreibt die Grundlagen des TRL-Verfahrens sowie seine Implementierung. Dabei werden auch Fallstricke bei der Implementierung aufgezeigt, die sich aus der Literatur nicht direkt erschließen. In Kapitel 4 wird die allgemeine Anwendbarkeit des Verfahrens bewiesen und die Auswirkung von Parametern des Simulationsmodells auf die Stabilität untersucht. Dabei wird auf einfache analytische Strukturen zurückgriffen, deren Verhalten sich aufgrund ihrer analytischen Natur optimal bestimmen lässt und die sich daher sehr gut als Referenzwerte eignen. Die Untersuchung umfasst die Betrachtung verschiedener Bandbreiten, Hoch-, Tief und Bandpassverhalten der Strukturen sowie die Stetigkeit des Verfahrens. Die Implementation des TRL-Verfahren wird im Anschluss an die theoretischen Betrachtungen anhand einer realen Messung mit einem Vector- Network-Analyzer überprüft. Kapitel 5 zeigt dann anhand von verschiedenen Simulationsszenarien die konkrete Anwendung des Verfahrens zur Verbesserung der Anregung. Zu Beginn wird die Anwendung an koaxialen Strukturen gezeigt, die den Vorteil bieten, sich auch ohne Verbesserungen in der Anregung sehr gut simulieren zu lassen. Neben den koaxialen Strukturen als Beispiel für eine geschlossene Struktur wird dann die Anwendung auf Strukturen, die auf den verbreiteten Mikrostreifenleitungen basieren, gezeigt, die ein gutes Beispiel für offene Strukturen sind. Als Abschluss wird die Anwendung einer numerischen Transition betrachtet, die als universell einsetzbares Konstrukt für die Verfahren bei verschiedensten Problemstellungen eingesetzt werden kann. Das Verbesserungspotential der Anwendung des Verfahrens wird für die verschiedenen Fälle in verschiedenen Frequenzbändern gezeigt.