Hybrid full-wave/MTL prediction models for EMC and signal integrity of complex electronic systems

The objective of the research presented in this thesis is to evaluate the performance of electronic and electrical systems in terms of Electromagnetic Compatibility (EMC) and Signal Integrity (SI), with a particular focus on Ethernet networks using the 100BASE-TX standard. The first part of the research is centered on mode conversion, a phenomenon that can degrade performance in data transmission systems. It provides a comprehensive review of mathematical methods and modeling strategies used to study this phenomenon. The fundamental mathematical approach for analyzing mode conversion is modal analysis, a tool that allows the investigation of common mode (CM) and differential mode (DM) disturbances and helps in understanding the mechanisms underlying mode conversion. In this context, different modal decomposition techniques and standard parameters for quantifying mode conversion are summarized and compared. Additionally, an overview of various scenarios where mode conversion occurs is presented, with the ultimate goal of systematically understanding the causes and consequences of this phenomenon in power and communication systems. Finally, a review of circuit modeling approaches for mode conversion is proposed, offering insights into how to effectively address this issue. Mode conversion was subsequently applied in the study of the optimization of the Bob Smith (BS) termination for Fast Ethernet (100BASE-TX) networks. The BS termination is commonly used to terminate twisted wire pairs (TWP) to reduce CM interference, as recommended by Ethernet design guidelines for the 100BASE-TX standard. The resistance value used for termination has become a de facto standard, although there is no evidence that this value is the best possible. To verify this, a detailed analysis of the termination was necessary. The analysis focuses on CM reflection and differential-to-common mode conversion at the transmission ports of the Ethernet driver. To this end, a mixed-mode S-parameter matrix was used to develop an equivalent circuit model of the system at the transmission ports. Parametric analysis and multi-objective optimization (MOO) allowed for the efficient optimization of the resistance value. The final results highlight the need to provide a ground path for CM currents and confirm the effectiveness of the BS termination. Regarding the resistance value, the study reveals that there is no universally optimal value; instead, it should be defined based on the specific system configuration and application requirements. Consequently, rather than specifying a single value, an optimal resistance range is proposed. Beyond terminations, this research investigates the role of interconnections and transmission lines in generating electromagnetic interference. To this end, an optimization algorithm is proposed to determine the optimal arrangement of signals within flexible flat cables (FFC). FFCs are a common form of interconnection in electrical and electronic systems, allowing for minimal cabling footprint. In FFCs, signal lines run parallel to each other, and their proximity can generate interference between adjacent signals. As a result, the arrangement of signals on different lines can significantly impact EMC and SI performance. In this case as well, the problem is addressed using a MOO approach aimed at minimizing NEXT (Near-End Crosstalk) and FEXT (Far-End Crosstalk). The effectiveness of the approach was validated by considering a simplified FFC system. Pareto-optimal solutions were identified, highlighting both the worst and best conditions. The results demonstrate improvements in EMC and SI performance, confirming the importance of the proposed optimization strategy. This strategy provides a tool for designing high-performance interconnections in electrical and electronic systems. Another contribution of this research concerns the modeling of electronic components for EMC simulations in Fast Ethernet applications, with a particular focus on Ethernet signals and crystal oscillators. The 100BASE-TX standard requires that the signal generated at the physical layer be encoded using Multi-Level Transmit (MLT-3) modulation, which shifts the spectral energy toward lower frequencies. Ineffective design of Fast Ethernet systems can lead to EMC and SI issues in real-world applications; consequently, a behavioral circuit model for MLT-3 signal generation is essential for evaluating EMC and SI performance in Fast Ethernet systems. By adjusting the sampling frequency parameter of the circuit and adding an RC filter, this model reproduces the time-domain and frequency-domain characteristics of a known MLT-3 signal, effectively addressing EMC and SI testing and optimization challenges in Fast Ethernet systems. Crystal oscillators, on the other hand, are components that provide highly precise timing. Two types of behavioral models for crystal oscillators are presented for EMC-oriented simulations, enabling oscillator simulation without requiring a "white-box" model. The proposed models were tested in the simulation of four oscillators operating at different frequencies, providing a tool for preliminary EMC and SI performance analysis in electronic systems.

L'obiettivo della ricerca presentata in questa tesi è la valutazione delle prestazioni di sistemi elettronici ed elettrici in termini di Compatibilità Elettromagnetica (EMC) Integrità di Segnale (SI), con particolare attenzione alle reti Ethernet che utilizzano lo standard Fast Ethernet (100BASE-TX). La prima parte della ricerca è incentrata sulla conversione di modo, un fenomeno che può degradare le prestazioni nei sistemi di trasmissione dati, e offre una rassegna completa dei metodi matematici e delle strategie di modellizzazione atti a studiare tale fenomeno. Il metodo matematico fondamentale per lo studio della conversione di modo è l'analisi modale. L’analisi modale è uno strumento che permette di indagare i disturbi di modo comune (CM) e di modo differenziale (DM) di comprendere i meccanismi alla base della conversione di modo. In questo contesto, sono inoltre riassunti e confrontati diverse tecniche di decomposizione modale e i parametri standard per quantificare tale conversione. Viene anche presentata una panoramica di vari scenari in cui si verifica la conversione di modo, con l’obiettivo finale di acquisire una comprensione sistematica delle cause e delle conseguenze di questo fenomeno nei sistemi di potenza e di comunicazione. Infine, si propone una rassegna degli approcci di modellazione circuitale per la conversione di modo, offrendo indicazioni su come affrontarla efficacemente. La conversione di modo è stata successivamente impiegata nello studio dell'ottimizzazione della terminazione Bob Smith (BS) per reti Fast Ethernet. La terminazione BS viene comunemente utilizzata per terminare le coppie di fili intrecciati (TWP), al fine di ridurre l’interferenza CM, come raccomandato dalle linee guida di progettazione Ethernet conformi allo standard 100BASE-TX. Il valore delle resistenze impiegato per la terminazione è ormai uno standard de-facto, sebbene non vi sia prova del fatto che tale valore sia il migliore possibile. Per verificare ciò, si è resa necessaria un’analisi dettagliata della terminazione stessa. L’analisi si concentra sulla riflessione CM e sulla conversione differenziale-comune alle porte di trasmissione del driver Ethernet. A tal fine, mediante un’apposita matrice di parametri S di modo misto, è stato sviluppato un circuito equivalente del sistema alle porte di trasmissione. L’analisi parametrica e l’ottimizzazione multi-obiettivo (MOO) hanno permesso di ottimizzare in modo efficiente il valore della resistenza. I risultati finali evidenziano la necessità di fornire un percorso di massa per le correnti CM e confermano l’efficacia della terminazione BS. Per quanto riguarda il valore delle resistenze, dallo studio emerge che non esiste un valore ottimale universale, e che per buona norma dovrebbe essere definito sulla base della configurazione specifica del sistema e dei requisiti applicativi. Di conseguenza, invece di specificare un unico valore, si propone un intervallo di valori di resistenza ottimali. Oltre alle terminazioni, in questa ricerca si investiga il ruolo delle interconnessioni e delle linee di trasmissione nella generazione di interferenze elettromagnetiche. A tal fine si propone un algoritmo di ottimizzazione per definire la disposizione ottimale dei segnali all’interno dei cavi piatti flessibili (FFC). Gli FFC rappresentano una tipica forma di interconnessione nei sistemi elettrici ed elettronici, permettendo di ridurre al minimo l’ingombro dei cablaggi. Negli FFC, le linee di segnale corrono in parallelo e la loro vicinanza può generare interferenze tra segnali adiacenti. Di conseguenza, la disposizione dei segnali su linee diverse può influenzare in modo significativo le prestazioni in termini di EMC e SI. Anche in questo caso il problema viene affrontato con un approccio MOO volto a minimizzare le diafonie NEXT e FEXT. L’efficacia dell’approccio è stata verificata considerando un sistema FFC semplificato. Sono state individuate soluzioni Pareto-ottimali, evidenziando le condizioni peggiori e quelle migliori. I risultati dimostrano miglioramenti in termini di EMC e SI, a conferma dell’importanza della strategia di ottimizzazione proposta. Tale strategia fornisce uno strumento per progettare interconnessioni ad alte prestazioni nei sistemi elettrici ed elettronici. Un ulteriore contributo della ricerca riguarda la modellizzazione di componenti elettronici per simulazioni EMC in applicazioni Fast Ethernet, con particolare attenzione ai segnali Ethernet e agli oscillatori al cristallo. Lo standard 100BASE-TX richiede che il segnale generato dal livello fisico sia codificato con una modulazione Multi-Level Transmit (MLT)-3, che sposta l’energia dello spettro verso frequenze più basse. Una progettazione inefficace di sistemi Fast Ethernet può dare luogo a problematiche di EMC e SI in applicazioni reali; di conseguenza, un modello circuitale comportamentale per la generazione del segnale MLT-3 risulta fondamentale per valutare le prestazioni EMC e SI nei sistemi Fast Ethernet. Regolando il parametro di frequenza di campionamento del circuito e aggiungendo un filtro RC, tale modello riproduce le caratteristiche nel dominio del tempo e della frequenza di un segnale MLT-3 noto, permettendo di affrontare in modo efficace test e ottimizzazioni relative a problematiche EMC e SI nei sistemi Fast Ethernet. Gli oscillatori al cristallo, invece, sono componenti che garantiscono una temporizzazione molto precisa. In quest'ultima parte sono presentati due tipi di modelli comportamentali di oscillatori al cristallo per simulazioni orientate all’EMC; questi consentono di simulare l’oscillatore senza dover ricorrere a un modello “white-box”. I modelli proposti sono stati testati nella simulazione di quattro oscillatori che funzionano a frequenze differenti, offrendo uno strumento per l’analisi preliminare delle prestazioni EMC e SI nei sistemi elettronici.