Modeling of mode conversion due to discontinuities in transmision lines

Ideally, differential signaling over differential interconnections ensures efficient transmission of high-frequency signals, exhibiting minimal radiation and high immunity to external interference. However, in real systems, line imbalance or discontinuities in the transmission line can cause unintended conversion between differential-mode (DM) and common-mode (CM) signals, negatively impacting signal integrity and electromagnetic compatibility. This thesis addresses the critical issue of mode conversion in transmission lines caused by discontinuities that arise from geometric imbalances in transmission line structures and terminal networks, which lead to variations in current division factor (cdf). A modeling approach is proposed, combining equivalent circuit modeling and numerical simulation to analyze the complex interactions between DM and CM signals. The analysis uses the cdf to model the discontinuity effect and takes advantage of the weak imbalance assumption to simplify the calculation of the DM and CM parameters combined with the multiconductor transmission line (MTL) theory. The analysis primarily targets DM-to-CM conversion as the root cause of radiated emission issues, leading to simplified equivalent circuit models that predict CM voltage and current by incorporating discontinuity effects through controlled sources which depend on the value of cdf. The thesis develops detailed procedures for solving both the DM and the CM circuits, enabling approximate prediction and mitigation of modal conversion effects. The study evaluates the impact of weak imbalance assumptions on modeling accuracy through four distinct test cases. These cases progressively increase the severity of discontinuities, analyzing their effects on mixed-mode S parameters and coupling coefficients (kl2 and kc2). Results demonstrate that the weak imbalance assumption holds for small discontinuities (max(kl2, kc2) < 0.1) but fails for larger discontinuities, where significant deviations between calculated and simulated results are observed. The simulation results in the full-wave solver (i.e. Keysight ADS) validate the prediction accuracy of the approximate models suggested. The results of this research provide valuable insights for the design of robust and reliable TL systems, contributing to improved signal integrity and EMC performance in modern electronic applications.

Idealmente, la segnalazione differenziale su interconnessioni differenziali garantisce una trasmissione efficiente di segnali ad alta frequenza, mostrando una radiazione minima e una elevata immunità alle interferenze esterne. Tuttavia, nei sistemi reali, l’imbalance della linea o le discontinuità nella linea di trasmissione possono causare una conversione non intenzionale tra segnali in modalità differenziale (DM) e in modalità comune (CM), influenzando negativamente l’integrità del segnale e la compatibilità elettromagnetica. Questa tesi affronta la questione critica della conversione di modalità nelle linee di trasmissione causata da discontinuità che sorgono da squilibri geometrici nelle strutture delle linee di trasmissione e nelle reti terminali, che portano a variazioni nel fattore di divisione della corrente (cdf). Viene proposto un approccio di modellazione che combina la modellazione del circuito equivalente e la simulazione numerica per analizzare le complesse interazioni tra i segnali DM e CM. L’analisi utilizza la cdf per modellare l’effetto di discontinuità e sfrutta l’assunzione di debole squilibrio per semplificare il calcolo dei parametri DM e CM combinati con la teoria della linea di trasmissione multiconductore (MTL). L’analisi mira principalmente alla conversione DM-to-CM come causa principale dei problemi di emissione radiata, portando a modelli di circuiti equivalenti semplificati che prevedono la tensione e la corrente CM incorporando gli effetti di discontinuità attraverso sorgenti controllate che dipendono dal valore di cdf. La tesi sviluppa procedure dettagliate per risolvere sia i circuiti DM che i circuiti CM, consentendo una previsione approssimativa e la mitigazione degli effetti di conversione modale. Lo studio valuta l’impatto delle assunzioni di debole squilibrio sulla precisione della modellazione attraverso quattro casi di test distinti. Questi casi aumentano progressivamente la severità delle discontinuità, analizzando i loro effetti sui parametri S in modalità mista e sui coefficienti di accoppiamento (kl2 e kc2). I risultati dimostrano che l’assunzione di debole squilibrio è valida per piccole discontinuità (max(kl2, kc2) < 0.1) ma fallisce per discontinuità più grandi, dove si osservano deviazioni significative tra i risultati calcolati e quelli simulati. I risultati della simulazione nel risolutore a onda completa (cioè Keysight ADS) convalidano l’accuratezza delle previsioni dei modelli approssimativi suggeriti. I risultati dellasimulazione nel risolutore a onda intera (cioè Keysight ADS) convalidano l’accuratezza delle previsioni dei modelli approssimati suggeriti. I risultati di questa ricerca forniscono preziose informazioni per la progettazione di sistemi TL robusti e affidabili, contribuendo a migliorare l’integrità del segnale e le prestazioni EMC nelle moderne applicazioni elettroniche.