Validation of UCS and perturbation solution models for nonuniform transmission lines and application to crosstalk and mode conversion evaluation in twisted-wire pairs

Nonuniform transmission lines (NUTLs) are widely encountered in several transport and industrial applications and their study still represents an active field of research in electromagnetic compatibility. One of the most common examples of NUTLs are twisted wire pairs (TWPs), and many research contributions addressed the EMC modeling of the TWP performance in terms of susceptibility to external fields or wave propagation and crosstalk. This thesis firstly concerns the frequency-domain solution of NUTLs problems in the absence of external incident fields. These two solution methods, i.e. the uniform cascaded sections (UCS) method and the perturbation method, are analyzed and compared comprehensively in calculation precision and speed. Specifically, two issues related to the TWPs, i.e. the crosstalk between the TWP and a victim wire, as well as the common-mode to differential-mode conversion of the TWP with random nonuniform twisting, are focused and analyzed. Repeated-run simulation results suggest that TWP nonuniformity is related to mode conversion and worsens the associated unintentional radiated emission problem. Since the iterative perturbation solution is deeply studied in this thesis, the results will throw light upon how to determine the appropriate algorithm for a nonuniform transmission-line problem based on the solution precision and speed. Besides, the radiated emission and crosstalk features of TWPs are studied, and the results will be beneficial for better evaluation and ultimately better synthesizing of the signaling system.

Problematiche di compatibilità elettromagnetica che coinvolgono linee di transmissione non uniformi (nonuniform transmission lines, NUTLs) si incontrano in diversi ambiti industriali. Per questa ragione, la loro modellazione rappresenta un interessante filone di ricerca attualmente in corso di studio da parte di molti ricercatori. Il metodo canonico per la soluzione di linee di trasmissione non uniformi si basa sulla suddivisione della linea in sotto-sezioni uniformi (il metodo, noto in letteratura come click model, verrà identificato con l'acronimo UCS nel seguito della trattazione), ovvero sezioni di lunghezza tale che la variazione dei parametri per unità di lunghezza (conseguenza della non-uniformità) possa essere trascurata. Viceversa, nel presente lavoro di tesi verrà presentato un metodo di soluzione alternativo basato su un approccio perturbativo, in cui la non-uniformità verrà rappresentata come perturbazione della struttura uniforme/equivalente mediante introduzione (in modo iterativo) di termini correttivi. Il metodo, finalizzato alla predizione delle tensioni indotte alle terminazioni della linea nel dominio della frequenza, verrà confrontato con il metodo di soluzione canonico (UCS) in termini di accuratezza predittiva e efficienza computazionale. A tale scopo, i due metodi precedentemente descritti verranno applicati alla predizione delle tensioni indotte alle terminazioni di doppini intrecciati (twisted wire pairs, TWP), che rappresentano uno dei più comuni e diffusi esempi di linee di trasmissione non uniformi. In particolare, l'analisi si focalizzerà su due aspetti rilevanti al fine di garantire soddisfacenti caratteristiche in termini di compatibilità elettromagnetica, ovvero: diafonia e conversione modale dovuta a non idealità dell'intreccio (qui rappresentata mediante un processo stocastico spaziale). Simulazioni ripetute permetterranno di mettere in luce come la non-uniformità dell'intreccio sia alla base del fenomeno di conversione tra modo comune e modo differenziale (e vice-versa), con conseguente degrado delle caratteristiche di immunità e irradiazione teoricamente attese.