KR100487613B1 - A analysis method of Yee cells containing three thin dielectric sheets in finte-difference time-domain(FDTD) method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유한차분 시간영역법에서 두께가 얇은 세 개의 유전체판이 포함된 Yee 셀을 해석하는 방법에 관한 것으로, 전체크기에 비해 아주 얇은 세 개의 유전체판이 포함되어 있는 구조를 유한차분 시간영역법을 이용하여 해석할 때보다 효율적으로 해석을 할 수 있도록 해주는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of analyzing a Yee cell including three thin dielectric plates in a finite difference time domain method. It is about how to make the interpretation more efficient than when interpreting.
Description
본 발명은 유한차분 시간영역법에서 두께가 얇은 세 개의 유전체판이 포함된 Yee 셀을 해석하는 방법에 관한 것으로, 임의의 구조에서 전체크기에 비해 아주 얇은 세 개의 유전체판이 포함되어 있는 구조를 유한차분 시간영역(Finite- The present invention relates to a method for analyzing a Yee cell containing three thin dielectric plates in a finite-difference time domain method. Finite-
Difference Time-Domain, 이하 FDTD라고 칭함)법을 이용하여 해석할 때 보다 효율적으로 해석을 할 수 있도록 해주는 방법에 관한 것이다.This paper relates to a method that enables more efficient analysis when using the Difference Time-Domain (FDTD) method.
전자장 수치해석 기법 중의 하나인 FDTD법의 역사는 1966년 K. S. Yee가 초기 경계치 문제에 대한 해석을 맥스웰(Maxwell) 방정식의 미분형으로부터 구해진 차분방정식을 이용하여 비교적 쉽게 해석한 것으로 거슬러 올라간다. The history of the FDTD method, one of the electromagnetic numerical techniques, dates back to 1966 when K. S. Yee interpreted the initial boundary problem relatively easily using differential equations derived from the Maxwell equation's differential form.
그 이후로 복잡한 형태의 적분방정식이 아니라 간단한 미분방정식 형태의 맥스웰 방정식으로부터 단순하게 계산을 할 수 있는 FDTD법은 상당히 매력적인 수치해석 기법이 되었다. 하지만 해석 영역이 시간 영역이어서 해석 시간이 많이 걸리고 컴퓨터 메모리가 많이 필요하기 때문에 발표 당시에는 그리 각광을 받지 못하였다. 오늘날에 와서야 컴퓨터 기술의 급속한 발달로 인해서 FDTD법은 다시 대두되기 시작하였다. Since then, the FDTD method, which can be calculated simply from Maxwell's equations, rather than complex integral equations, has become a very attractive numerical method. However, because the interpretation area is a time domain, it takes a lot of analysis time and requires a lot of computer memory. Only today, due to the rapid development of computer technology, the FDTD method has begun to emerge again.
FDTD법은 광범위한 분야에서 적용되고 있으며 그 응용분야는 크게 5가지로 구분할 수 있다. The FDTD method is applied in a wide range of fields, and its application can be classified into five categories.
첫째로, 차폐(shielding), 전자기 결합(coupling), 낙뢰(lightning), EMPFirst, shielding, electromagnetic coupling, lightning, EMP
(electromagnetic pulse) 현상, 패키징(packaging) 등의 EMI/EMC 문제를 해석할 수 있다.EMI / EMC problems such as electromagnetic pulse phenomenon and packaging can be analyzed.
둘째로, 산란(scattering), RCS(radar cross section) 관련 문제를 해석할 수 있으며, 셋째로, 전자파가 인체에 미치는 영향(biological hazards)을 해석할 수 있다.Secondly, it can analyze scattering and problems related to radar cross section (RCS), and thirdly, analyze biological effects of electromagnetic waves on the human body.
넷째로, 안테나 문제에서 복사패턴(radiation pattern), 입력 임피던스(input impedance) 등을 계산할 수 있으며, 마지막으로, 초고주파 능동 및 수동 소자 회로와 도파관 등을 해석할 수 있다.Fourth, in the antenna problem, radiation patterns, input impedances, and the like can be calculated. Finally, microwave active and passive element circuits and waveguides can be analyzed.
이와 같이 FDTD법은 적용되지 않는 분야가 없을 정도로 거의 모든 전자장 분야에서 폭넓게 사용되고 있다.As such, the FDTD method is widely used in almost all fields of electromagnetic fields so that there is no applicable field.
도 1과 같은 종래의 Yee 셀분할 FDTD법을 이용하여 전체크기에 비해 아주 얇은 세 개의 유전체판이 포함되어 있는 구조(도2)를 해석할 경우, 3개의 매질을 가지기 때문에 각각마다 분할되어야 하므로 해석점의 수가 너무 많아져서 많은 메모리를 필요로 하게 되어 일반적인 컴퓨터로는 해석이 어려워진다. When analyzing the structure (FIG. 2) including three dielectric plates that are very thin compared to the total size by using the conventional Yee cell division FDTD method as shown in FIG. 1, since each has three media, The number of numbers becomes so large that it requires a lot of memory, making it difficult to interpret on a typical computer.
또한, 비균일격자(non-uniform grid)를 이용한 FDTD법을 사용하여 해석할 경우에는 해석점의 수는 줄일 수 있으나, 이 경우에는 가장 작은 격자의 크기가 제일 얇은 유전체판의 두께에 의해서 정해지므로 FDTD법에 사용되는 시간간격(time-step)의 크기가 아주 작아져서 해석하는데 시간이 오래 걸리게 된다.In addition, when analyzing using the FDTD method using a non-uniform grid, the number of analysis points can be reduced, but in this case, the smallest grid size is determined by the thickness of the thinnest dielectric plate. The time-step used in the FDTD method is so small that it takes a long time to interpret.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, FDTD법에서 Yee 셀에 두께가 얇은 세 개의 유전체판이 포함되어 있을 때 사용할 수 있는 수식을 유도함으로써, 적은 양의 메모리를 이용해서 짧은 시간에 해석이 가능한 효율적인 두께가 얇은 세 개의 유전체판이 포함된 Yee 셀을 해석하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the above conventional problems, by inducing a formula that can be used when three thin dielectric plates in the Yee cell in the FDTD method, using a small amount of memory in a short time The purpose is to provide a method for analyzing Yee cells containing three thin dielectric plates with efficient thickness.
상기의 목적은 임의의 구조를 가진 웨이퍼(10)의 전체 크기에 비해 아주 얇은 서로 다른 매질인 세 개의 유전체판이 포함되어 있는 구조에 대한 전자장 수치를 해석하는 FDTD법에 있어서,The purpose of the FDTD method is to analyze the electromagnetic field values for a structure containing three dielectric plates, which are very different media compared to the overall size of the wafer 10 having an arbitrary structure,
상기 유전체 판이 포함된 영역과 포함되지 않은 영역으로 분할하는 영역구분 단계와;A region dividing step of dividing the region into and from the region containing the dielectric plate;
상기 영역구분 단계에서 구분된 영역이 상기 유전체 판을 포함하는지를 알아보는 단계와;Determining whether a region divided in the region division step includes the dielectric plate;
상기 유전체판이 포함되지 않는 영역이면 한 매질로 채워진 Yee 셀로 영역을 분할하는 단계와; Dividing the region into a Yee cell filled with a medium if the region does not include the dielectric plate;
상기 유전체판이 포함된 영역이면 3개의 유전체 판이 포함된 Yee 셀로 분할하는 단계와;Dividing the dielectric plate into a Yee cell including three dielectric plates if the region includes the dielectric plate;
상기 유전체 판이 포함된 Yee 셀로 분할한 영역의 Ex, Ey, Ez, Hx, Hy, Hz를 수학식을 이용하여 전자장 수치를 계산하는 단계를 포함하여 달성된다. Ex , Ey , Ez , Hx , Hy , Hz of the region divided into the Yee cells containing the dielectric plate is achieved by using a mathematical formula to calculate the numerical value.
이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, described in detail by the accompanying drawings as follows.
도 2는 본 발명의 제 1실시예의 차폐막 선로(Shielded Membrane Microstrip)의 길이 방향과 수직인 단면도로서, 상부 차폐 웨이퍼(110)와 고저항 박막 웨이퍼(120), 금속 피복된 캐리어 웨이퍼(130)로 구성된 웨이퍼(10)내의 임의의 구조물의 단면으로서, 산화실리콘판1(210)과 질화실리콘판(220) 그리고 산화실리콘FIG. 2 is a cross-sectional view perpendicular to the longitudinal direction of the shielded membrane microstrip of the first embodiment of the present invention. The upper shielded wafer 110, the high resistance thin film wafer 120, and the metal-coated carrier wafer 130 are shown in FIG. Silicon oxide plate 1 210 and silicon nitride plate 220 and silicon oxide as cross sections of any structure in the configured wafer 10.
판2(230)로 구성된 3개의 유전체판을 구비한다.Three dielectric plates composed of two plates 230 are provided.
상기 상부 차폐 웨이퍼(110) 내부의 구조물의 높이(h1)가 500㎛, 상기 고저항 박막 웨이퍼(120)내의 구조물의 높이(h2)가 98.6㎛으로 구성되며 상기 3개의 유전체판(210, 220, 230)의 두께 (d1, d2, d3)의 합은 1.4㎛로 구성된다.The height h1 of the structure inside the upper shielding wafer 110 is 500 μm, and the height h2 of the structure in the high resistance thin film wafer 120 is 98.6 μm, and the three dielectric plates 210, 220, The sum of the thicknesses d 1, d 2, d 3 of 230 is made of 1.4 μm.
따라서, 상기 상부 차폐 웨이퍼(110)와 상기 고저항 박막 웨이퍼(120)의 구조물의 높이(h1, h2)의 합은 상기 유전체판(210, 220, 230)의 두께 (d1, d2, d3)의 합의 비율은 약 1: 427로 상기 3개의 유전체판(210 220, 230)의 두께 (d1, d2, d3)는 전체 웨이퍼(10)의 높이에 비해 대단히 얇다. Therefore, the sum of the heights h1 and h2 of the structure of the upper shielding wafer 110 and the high resistance thin film wafer 120 is equal to the thickness d1, d2, d3 of the dielectric plates 210, 220, and 230. The sum of the sums is about 1: 427 so that the thicknesses d1, d2, d3 of the three dielectric plates 210 220, 230 are extremely thin compared to the height of the entire wafer 10.
상기 3개의 유전체판(210, 220, 220)이 포함되어 있는 구조를 FDTD법을 이용하여 해석할 경우 상기 유전체판(210, 220, 230)을 포함한 영역과 포함하지 않는 영역으로 구분한다.When the structure including the three dielectric plates 210, 220, and 220 is analyzed using the FDTD method, the dielectric plates are divided into regions including the dielectric plates 210, 220, and 230, and regions not included.
상기 세 개의 얇은 유전체판(210, 220, 230)이 구비된 부분은 도 3과 도 4의 Yee 셀(40, 50)을 이용하여 분할되고, 상기 유전체판(210, 220, 230)을 포함하지 않는 영역은 도 1에서 보여지는 한 매질로 채워져 있는 Yee 셀을 이용하여, 기존의 FDTD법에서 사용되는 수식으로 해석 된다.The portion provided with the three thin dielectric plates 210, 220, and 230 is divided using the Yee cells 40 and 50 of FIGS. 3 and 4, and does not include the dielectric plates 210, 220, and 230. The region not shown is interpreted as a formula used in the conventional FDTD method using a Yee cell filled with a medium shown in FIG. 1.
여기서 h1, h2의 길이와 d1 내지 d3의 두께의 값은 임의의 예이며 본 발명의 유한차분 시간영역법에서 두께가 얇은 세 개의 유전체판이 포함된 Yee 셀을 해석하는 방법은 상기 유전체판(210, 220, 230)의 각각의 두께 d1, d2, d3 중 제일 얇은 두께의 값이 상기 고저항박막웨이퍼(120) 내의 구조물의 높이(h2)의 1/40이하일 경우에 사용된다.Wherein the length of h1, h2 and the value of the thickness of d1 to d3 is an arbitrary example, and the method of analyzing a Yee cell containing three thin dielectric plates in the finite difference time domain method of the present invention is the dielectric plate 210, The thinnest of the thicknesses d1, d2, d3 of 220 and 230 is used when 1/40 or less of the height h2 of the structure in the high resistance thin film wafer 120.
만약 상기 d1, d2, d3 중 제일 얇은 두께의 값이 상기 고저항박막웨이퍼(120) 내의 구조물의 높이(h2)의 1/40보다 더 크다면 비균일격자를 이용한 FDTD법으로도 효율적으로 해석할 수 있다.If the value of the thinnest of the d1, d2, d3 is larger than 1/40 of the height (h2) of the structure in the high-resistance thin film wafer 120 can be efficiently analyzed by the FDTD method using a non-uniform grid. Can be.
도 3은 본 발명에 따른 제 1실시예의 3개의 유전체 판이 포함된 Yee 셀 중 전기 셀(electric cell: 40)의 사시도이며, 도 4는 본 발명에 따른 제 1실시예의 3개의 유전체 판이 포함된 Yee 셀 중 자기 셀(magnetic cell: 50)의 사시도이다.3 is a perspective view of an electric cell 40 of a Yee cell including three dielectric plates of the first embodiment according to the present invention, and FIG. 4 is a Yee including three dielectric plates of the first embodiment according to the present invention. A perspective view of a magnetic cell 50 of the cells.
도 3과 도 4의 상기 유전체판(210, 220, 230)을 포함한 상기 전자기 Yee셀(40, 50)의 Ex, Ey, Ez, Hx, Hy, Hz를 구하기 위해서는 다음과 같은 수식이 유도된다.In order to obtain Ex , Ey , Ez , Hx , Hy , and Hz of the electromagnetic Yee cells 40 and 50 including the dielectric plates 210, 220, 230 of FIGS. 3 and 4, the following equation is derived.
수학식 1Equation 1
수학식 2Equation 2
수학식 3Equation 3
수학식 4Equation 4
수학식 5Equation 5
수학식 6Equation 6
수학식 1 내지 수학식 6에서 εr,nf 와 μr,nf 는 다음과 같다.Ε r, nf and μ r, nf in Equations 1 to 6 are as follows.
수학식 7Equation 7
수학식 8Equation 8
수학식 7과 수학식 8에서 d1, d2, d3과 εr1, εr2, εr3은 각각 3개의 유전체 판(210, 220, 230)의 두께와 상대유전율을 나타낸다. In Equations 7 and 8, d1, d2, d3, and εr1, εr2, and εr3 represent thicknesses and relative dielectric constants of the three dielectric plates 210, 220, and 230, respectively.
그리고 이외의 것들은 기존의 FDTD법에서와 같은 의미를 갖는다.And others have the same meaning as in the conventional FDTD method.
도 5는 본 발명에 따른 유한차분 시간영역법에서 두께가 얇은 3개의 유전체 판(210, 220, 230)이 포함된 Yee 셀(40, 50)을 해석하는 흐름도이다.FIG. 5 is a flowchart of analyzing Yee cells 40 and 50 including three thin dielectric plates 210, 220, and 230 in the finite difference time domain method according to the present invention.
본 발명에 따른 유한차분 시간영역법에서 서로 다른 매질을 가지는 두께가 얇은 세 개의 유전체판(210, 220, 230)이 포함된 Yee 셀(40, 50)을 해석하는 방법은 In the finite difference time domain method according to the present invention, a method of analyzing Yee cells 40 and 50 including three thin dielectric plates 210, 220, and 230 having different media is described.
상기 유전체 판(210, 220, 230)이 포함된 영역과 포함되지 않은 영역으로 분할하는 영역구분 단계(s20)와;A region dividing step (s20) for dividing the region including the dielectric plates (210, 220, 230) and regions not included;
상기 영역구분 단계에서 구분된 영역이 상기 유전체 판(210, 220, 230)을 포함하는지를 알아보는 단계(s30)와;Determining whether the region divided in the region division step includes the dielectric plates 210, 220, and 230 (s30);
상기 유전체판(210, 220, 230)이 포함되지 않는 영역이면 한 매질로 채워진 Yee 셀(20)로 영역을 분할하는 단계(s40)와;Dividing the region into Yee cells 20 filled with a medium if the dielectric plates 210, 220, and 230 are not included (s40);
상기 단계 s30에서 상기 3개의 유전체판(210, 220, 230)이 포함된 영역이면 상기 3개의 유전체판(210, 220, 230)이 포함된 Yee 셀(40, 50)로 분할하는 단계(s50)와;In the step s30, if the region includes the three dielectric plates 210, 220, and 230, dividing the cells into Yee cells 40 and 50 including the three dielectric plates 210, 220, and 230 (s50). Wow;
상기 3개의 유전체판(210, 220, 230)이 포함된 Yee 셀(40, 50)로 분할한 영역을 상기의 수학식 1 내지 수학식 6을 이용하여 Ex, Ey, Ez, Hx, Hy, Hz값을 계산하는 단계(s60)를 포함한다.An area divided into Yee cells 40 and 50 including the three dielectric plates 210, 220, and 230 is represented by Ex , Ey , Ez , Hx , Hy , and Hz using Equations 1 to 6 above. Calculating a value (s60).
이와 같은 방법을 이용하여 도 3 및 도 4와 같은 구조를 해석하게 되면 FDTD법을 이용해서 해석할 때 사용되어지는 Yee 셀의 크기를 얇은 유전체판들의 두께와 상관없이 크게 잡을 수 있기 때문에 해석점의 수를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 이에 따라 FDTD법에 사용되는 시간간격의 크기도 적당한 크기를 갖게 할 수 있으므로 시뮬레이션에 필요한 저장공간이 작아지게 되고 수행시간도 줄어들 수 있게 되는 것이다.3 and 4 using the above method, the size of the Yee cell used in the analysis using the FDTD method can be large regardless of the thickness of the thin dielectric plates. Not only can the number be reduced, but the size of the time interval used in the FDTD method can be made to have an appropriate size, so that the storage space required for the simulation is reduced and the execution time can be reduced.
또한, 전체 웨이퍼(10) 크기에 비해 아주 얇은 세 개의 유전체판(210, 220, 230)이 포함되어 있는 구조(도 2)가 포함된 회로의 모델을 해석하고자 할 때, 본 고안의 유한차분 시간영역법에서 두께가 얇은 상기 세 개의 유전체판(210, 220, 230)이 포함된 Yee 셀(40, 50)을 해석하는 방법을 적용하여 정확하고 신속하게 Ex, Ey, Ez, Hx, Hy, Hz값을 알 수 있으므로 회로의 설계 및 제작에 큰 도움을 준다.In addition, when trying to analyze a model of a circuit including a structure (FIG. 2) including three very thin dielectric plates 210, 220, 230 compared to the total wafer 10 size, the finite difference time of the present invention Ex , Ey , Ez , Hx , Hy , Hz accurately and quickly by applying the method of analyzing the Yee cells 40, 50 including the three thin dielectric plates 210, 220, 230 in the region method. The value is known, which greatly helps in the design and fabrication of the circuit.
이상 상술된 바와 같이 본 발명은 전체크기에 비해 아주 얇은 세 개의 유전체판이 포함되어 있는 구조를 FDTD법을 이용하여 해석할 때 3개의 유전체판이 구비된 영역해석을 위해 사용되는 수식을 유도하여 이 수식을 적용함으로써, 보다 효율적으로 즉, 보다 적은 양의 메모리를 이용해서 보다 짧은 시간에 정확하게 해석할 수 있다.As described above, the present invention uses the FDTD method to analyze a structure including three dielectric plates that are very thin compared to the total size, and induces a formula used for region analysis with three dielectric plates. By applying it, it is possible to interpret more efficiently in a shorter time, that is, using a smaller amount of memory.
도 1은 종래의 유한차분 시간영역법에 따른 한 매질로 채워진 Yee 셀, 1 is a Yee cell filled with a medium according to a conventional finite difference time domain method,
도 2는 본 발명에 따른 제 1실시예의 단면도, 2 is a cross-sectional view of a first embodiment according to the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 제 1실시예의 3개의 유전체 판이 포함된 Yee 셀 중 전기 셀(electric cell)의 사시도, 3 is a perspective view of an electric cell of the Yee cell including three dielectric plates of the first embodiment according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따른 제 1실시예의 3개의 유전체 판이 포함된 Yee 셀 중 자기 셀(magnetic cell)의 사시도, 4 is a perspective view of a magnetic cell of a Yee cell including three dielectric plates of the first embodiment according to the present invention;
도 5는 본 발명에 따른 유한차분 시간영역법에서 두께가 얇은 3개의 유전체 판이 포함된 Yee 셀을 해석하는 흐름도.FIG. 5 is a flowchart for analyzing a Yee cell including three thin dielectric plates in a finite difference time domain method according to the present invention. FIG.
<도면 부호에 관한 상세한 설명><Detailed Description of Drawing Symbols>
10 : 웨이퍼 110: 상부차폐웨이퍼10: wafer 110: upper shielding wafer
120: 고저항 박막웨이퍼 130: 금속피복된 캐리어웨이퍼120: high resistance thin film wafer 130: metal-coated carrier wafer
20: 한 매질로 채워진 Yee 셀 210: 산화실리콘(SiO2)판120: Yee cell filled with a medium 210: silicon oxide (SiO 2 ) plate 1
220: 질화실리콘(Si3N4)판 230: 산화실리콘(SiO2)판2220: silicon nitride (Si 3 N 4 ) plate 230: silicon oxide (SiO 2 ) plate 2
240: 신호선 30 : 비아홀 240: signal line 30: via hole
40 : 3개의 유전체판을 포함한 Yee 셀 중 전기 셀40: Electric cell among Yee cells containing three dielectric plates
50 : 3개의 유전체판을 포함한 Yee 셀 중 자기 셀50: Magnetic cell among Yee cells containing three dielectric plates
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KR20040019498A (en) | 2004-03-06 |
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