電磁波解析入門セミナー 説明資料 1
もくじ 1. 電磁波解析の概要 2. 電磁波解析の機能 設定の紹介 2
もくじ 1. 電磁波解析の概要 Femtet の3つの電磁界ソルバ... 4 電磁波解析の3つの種類... 5 調和解析... 6 導波路解析... 7 共振解析... 8 2. 電磁波解析の機能 設定の紹介 3
Femtet の 3 つの電磁界ソルバ Femtet には 3 つの電磁界ソルバがあります 解析の種類 電場解析 磁場解析 解析できる周波数の目安 一定 ( 交流 ) 電流 電圧 低周波 (~ 1MHz くらい ) 電磁波解析高周波 (1MHz ~ 数十 GHz くらい ) 4
電磁波解析の 3 つの種類 電磁波解析では 3 種類の解析ができます 入力は正弦波のみで 直接的な時間領域の解析はできません 調和解析の結果を用いた時間領域の解析 (TDR 解析 ) は可能です 導波路解析 (2 次元 ) 共振解析 ( 軸対称 3 次元 ) 調和解析 (3 次元 ) 伝送線路の解析 特性インピーダンス 伝播定数 共振現象の解析 共振周波数 共振モード 空間を伝わる電磁波 S パラメータ 指向性 周辺電磁界 伝搬モード... など Q 値... など TDR 解析... など 5
導波路解析 伝送線路の断面をモデル化し 伝搬周波数や伝搬定数を求めます 伝搬モードや特性インピーダンス Q 値なども計算されます 同軸ケーブル 断面のモデル (2 次元 ) 解析結果 外導体 電界 誘電体 内導体 Femtet の導波路解析では この 2 次元モデルを扱います 磁界 6
共振解析 共振解析では 特定周波数の電磁波のみが増幅する共振の解析を行うことができます 結果として 共振モード 共振周波数 Q 値などが得られます 電磁波を入力するポートは設定せず インピーダンスや S パラメータは計算できません 空気 誘電体共振器の解析例 電界分布 磁界分布 誘電体共振器 周波数 : 11.2GHz 7
調和解析 調和解析では ある周波数の電磁波が空間をどのように伝わっていくかを解析できます 解析結果として 電磁界に加えて S パラメータの周波数特性や放射特性などが得られます アンテナの解析 magic tee の解析 8
もくじ 1. 電磁波解析の概要 2. 電磁波解析の機能 設定の紹介 特に調和解析について ご紹介します 解析の流れ... 10 モデル形状作成 解析条件の設定 材料定数の設定 境界条件の設定... 11...12... 17... 18 解析結果... 31 9
解析の流れ 3 次元モデルの形状定義 解析条件 : メッシュサイズ 参照周波数 解析周波数 ボディ属性 : 異方性材料の方向 材料定数 : 比誘電率 比透磁率 導電率 境界条件 : ポート 電気壁 磁気壁 開放境界 集中定数 メッシュ分割 解析ソルバ 電磁波解析 電場解析 磁場解析 応力解析 熱解析 圧電解析 音波解析 解析結果の表示 10
調和解析のモデル形状定義 構造や材料の不連続部を切り出した形状を3次元で作成します 電磁波の出入り口にポートを設定します 電磁波 ポート１ ε, μ, σ 電磁波 ポート2 ε, μ, σ ポート ε, μ, σ 電磁波 ここで切り出して モデル化 ポート3 この部分を作成します ポート 調和解析モデルの概要 All Rights Reserved, Copyright Murata Software Co., Ltd. 11
スピードアップ [ 倍 ] ( 従来メッシャ比 ) 解析条件 : メッシャ G2 高速なメッシャ G2 で解析時間が短縮できます Femtet 2017.0 から搭載されたメッシャ G2 は 従来のメッシャと比較して規模の大きなモデルで 10 倍以上のスピードでメッシュ分割を行うことができます ボディ数 [ 個 ] メッシャG2はメッシュ分割に失敗する確率がまだ十分低いとは言えないため初期設定では従来のメッシャでメッシュ分割を行います 12
解析条件 : 要素の種類 [ 解析条件の設定 ] の [ メッシュ ] タブから 1 次要素と 2 次要素を選択できます 要素の種類 未知数の位置計算時間計算精度 1 次要素短い低い 2 次要素長い高い ( : 未知数 ) 13
解析条件 : アダプティブメッシュ アダプティブメッシュは 短い解析時間と高い解析精度を両立する最適メッシュを自動で作成します アダプティブメッシュによるメッシュ 必要に応じてメッシュの大きさを 変えることで メッシュ数の増加を抑えながら精度の高い解析を行えます メッシュは 参照周波数において最適となります 14
解析条件 : 参照周波数 [ 解析条件の設定 ] の [ メッシュ ] タブで 最も興味のある周波数を設定します 参照周波数は 解析を行う上で周波数に依存するパラメータを設定する際に用い られることがあります 周波数依存材料の材料物性は 解析周波数で決まります 参照周波数を複数選択することも可能です 15
解析条件 : 解析周波数 調和解析では 解析周波数の設定が必要です 解析周波数一覧を 表示できます 16
解析条件 : 周波数スイープ 周波数スイープの方法によって 解析時間 精度が変わります 逐次スイープ 並列逐次スイープ 高速スイープ / 補間スイープ 解析周波数 全て 全て 一部 解析時間 長い 短い 短い 解析精度 良い 良い 悪い場合がある 逐次スイープは全ての解析周波数で計算を行います 解析周波数が多い場合解析時間がかかりますが 精度の高い解析結果が得られます 並列逐次スイープは全ての解析周波数を計算します 複数の解析周波数を同時に計算するため 逐次スイープより解析時間が短くなります 精度の高い解析結果が得られます 高速スイープ / 補間スイープは一部の解析周波数の計算結果から全解析周波数の結果を推測します 解析時間は短いですが モデルによっては解析精度が悪くなる場合があります 高速スイープでは フィールド値の推測も行いますが 補間スイープは S パラメータのみ推測します 並列逐次スイープを利用するには高速化オプションが必要です 17
解析条件 : 高速スイープ 高速スイープを使うと 一部の解析周波数の結果から 全解析周波数の結果を推測します 全ての解析周波数で計算を行う逐次スイープに比べて 計算時間が短縮できます オープンスタブの解析例 計算した周波数ポイント S 11 ( 逐次スイープ ) S 11 ( 高速スイープ ) S 21 ( 逐次スイープ ) S 21 ( 高速スイープ ) 逐次スイープ 1.00 GHz 1.09 GHz 1.18 GHz 9.82 GHz 9.91 GHz 10.00 GHz 計 101 周波数 高速スイープ 1.00 GHz 1.90 GHz 8.20 GHz 10.00 GHz 計 4 周波数 S パラメータの周波数特性の変動が大きい場合や S パラメータが非常に小さい場合に高速スイープを使うと 計算に時間がかかったり 計算精度が悪化することがあります 18
解析条件 : 補間スイープ 補間スイープを使うと 一部の解析周波数の S パラメータから 全解析周波数の S パラメータを 推測します 高速スイープとは異なり フィールド値の推測は行いません 非可逆素子の解析例 S parameter 逐次スイープ :101 周波数 補間スイープ :13 周波数 補間スイープ 逐次スイープ S パラメータの周波数特性の変動が大きい場合や S パラメータが非常に小さい場合は 結果推測のためにほぼすべての解析周波数を計算することがあります 19
材料定数 材料定数として 誘電率 透磁率 導電率を設定します 20
境界条件の分類 境界条件は大きく 3 つに分けられます 外部境界条件 解析実行時にモデルの一番外側に設定されます 外部境界条件の種類はユーザが選択できます ユーザが設定する境界条件 ユーザが必要な部分に設定します 外部境界条件と重なるときはこちらが優先されます 種類と境界条件名はユーザが設定できます Femtet が設定する境界条件解析実行時に Femtet が自動で設定します 解析結果画面のみで表示されます RESERVED_ で始まる境界条件名が付けられます 21
境界条件の種類 電磁波解析で使える境界条件は 8 種類あります 電気壁 開放境界 磁気壁 表面インピーダンス 導体の表面を表現する境界 入出力ポート 積分路ポート上で電界の積分路を定義 集中定数 多層電極 よく使われる 6 つをご紹介します
境界条件 : 入出力ポート (1/8) ポートの設定手順 1 3 ポートを設定する平面を選択 右クリックメニュー 基準インピーダンスを設定 積分路を設定 2 4 ポート名を入力 積分路設定画面で 電極間を結ぶように引く 23
境界条件 : 入出力ポート (2/8) ポートは伝送線路の断面でなければなりません 例 : 電磁波解析例題 8 オープンスタブ のポート 空気 電極 ポート 基板 電気壁 ( 境界条件 ) = 完全導体 ポート面を見てみると マイクロストリップ線路の構造になっています 24
境界条件 : 入出力ポート (3/8) ポートはモデルの内部にもつけることができます 例 : 電磁波解析例題 7 ダイポールアンテナ のポート アンテナ 空気 ポート アンテナ ポート面を見てみると 平行板線路の構造になっています 例題には様々なポートのつけ方をしたモデルを掲載しておりますので 参考にしてください 25
境界条件 : 入出力ポート (4/8) ポートの設定の失敗例として代表的なものに 導体の断面にポートを設定してしまうことがあります 電極 空気 基板 電磁波は導体内を伝搬できないため 正しく解析できません 26
境界条件 : 入出力ポート (5/8) 積分路は特性インピーダンスを精度よく求めるために必要です 積分路の向きは電界の向きの基準となります 空気 ポート 1 電極 ポート 2 基板 積分路は ポート内の2つの電極を結ぶように設定します 積分路には向きがあり 画面上では矢印で表示されます 全てのポートで 積分路の向きを統一してください 27
境界条件 : 入出力ポート (6/8) 積分路の向きが 統一されている場合 積分路の向き S 11 S 12 S 11 S 12 1GHz 積分路の向きが 統一されていない場合 1GHz S 11 S 12 S 11 S 12 S 12 の位相が 180 度ズレます 28
境界条件 : 入出力ポート (7/8) 積分路を下向きに 設定した場合 位相 0 度のポートの電界 積分路の向き 積分路を上向きに 設定した場合 位相 0 度のポートの電界 ポートにおける入射電磁波の位相 0 度の電界は積分路の方向になります 29
境界条件 : 入出力ポート (8/8) TEM モードが伝搬しない導波管の解析には 積分路は必要ありません 電極 2 枚の解析例 : マイクロストリップ線路 必要 ( 準 )TEM モード 電極 3 枚以上の解析例 : 差動線路の解析 不要 上記以外のモード 積分路を設定しても間違いではありません モード 1 個の解析例 : 矩形導波管の基本モードのみの解析 複数モードの解析例 : 円形導波管の解析 30
境界条件 : 電気壁と磁気壁 電界は 電気壁に対して垂直に 磁気壁に対して平行になります この性質を利用して 対称モデルの対称面を表現することができます また 外部境界を電気壁とすることで 導体で囲まれた解析空間を表現できます 全体モデル 1/4 モデル 磁気壁 電界 電界 電界 電気壁 31
境界条件 : 開放境界 波長 /4 開放境界は 放射された電磁波を反射しない境界条件 真空中の平面波の波動インピーダンス ( 初期設定 377Ω) を設定する事で実現している ダイポールアンテナ アンテナと開放境界が 電磁波が平面波とみなせるだけ 十分離れていなければならない 開放境界 (Z = 377 [Ω]) 377 Femtet では λ/4 以上離すことを おすすめしています 1/4 32
境界条件 : 集中定数 ループアンテナ ポート 集中定数 アンテナ 1 つの集中定数で並列の R L C を設定できます 集中定数を設定できるのはシートボディだけです 33
境界条件 : 多層電極 多層電極は多層構造の導体膜を表現します 導体の断面 導体 C(μ r,c, σ C ) 導体 B(μ r,b, σ B ) No. 比透磁率導電率厚み 導体 A(μ r,a, σ A ) 表面 内部 1 μ r,c σ C d C 2 μ r,b σ B d B 3 μ r,a σ A (d A ) 多層構造の情報をテーブルで設定します 一番内側の導体の厚みは無視され 十分厚いと仮定して計算します 34
計算結果 : グラフ表示 35
計算結果 : テーブル テーブルでは主な計算結果の値を確認できます 調和解析では 伝搬定数 特性インピーダンス 基準インピーダンス S パラメータが表示されます 36
計算結果 : フィールド フィールドでは電磁界などが視覚的に表示されます 電界 磁界 ポインティングベクトルなどベクトル量のベクトル表示 電気 / 磁気エネルギー密度といった スカラー量 各種ベクトル量の大きさの コンター図表示 フィールドの重ね合わせ 電流密度のベクトル表示 アニメーションの作成 フィールド重ね合わせの設定 コンター図による面電流密度表示 アニメーション 37
計算結果 :SYZ 行列 S Y Z 行列の出力 CSV ファイル タッチストーンファイル グラフ出力 XY グラフ スミスチャート 極座標グラフ 基準インピーダンス変更 (ReNoralization) ポート位置変更 (DeEmbedding) 38
計算結果 : 指向性 指向性 ( 無限遠 ) 周辺電磁界 ( 近傍 ) 極座標グラフ XYグラフ 指向性の 3D 表示 39
特性インピーダンス計算ツール スタート プログラム Femtet 伝送線路インピーダンス計算 40
作成 2017.7.10 41
誤差 [%] 補足 1. 入出力ポートの大きさ ポートの大きさが計算値に与える影響を調べました ポートが空気と基板の断面全体についている方が 精度が良いことがわかります 空気 電極 100 ポート小 ポート大 10 基板 1 0.1 特性インピーダンス 伝搬定数 ポートを大きくしすぎると解析に失敗する場合があります 42
補足 2. アダプティブメッシュ アダプティブメッシュは ポート面 解析領域の順でメッシュ分割を行います ポート _002 のメッシュ分割 ポート _001 のメッシュ分割 解析領域のメッシュ分割 メッシュ分割がうまくできていると 収束判定パラメータは一定値に収束していきます メッシュの質は 1 以上の数で表され 1 に近いほど計算誤差の小さいメッシュです 43
補足 3. メッシュの質 有限要素法には 要素の形が正四面体に近いほど計算精度がよくなる性質があります R out R in 1 メッシュの質 Q R R out in 要素の内接球と外接球の半径の比に 要素が正四面体のときにメッシュの質が 1 となるような 係数 α をかけたもの Q でメッシュの質を評価しています 44
補足 4. 表皮厚みより厚い導体 Body を境界条件とする 0 1/e 電磁波 1 電磁界 表皮厚さ δ は 参照周波数で計算 表皮厚さ 導体 Body の厚さが 2δ より小さい δ ときは常に内部も解析 導体 Body 導体表面からの距離 導体 Body の厚みが 2δ より大きいとき 表皮厚みより厚い導体 Body を境界条件とする 表面インピーダンス 表皮厚みより厚い導体 Body を境界条件とする 導体 Body 内部は解析しない 電磁界ゼロ 導体表面に表面インピーダンスが自動的に 設定されるので 損失を考慮できる 少ない計算量 導体 Body 内部も解析する 電磁界は値を持つ 精度はメッシュに依存 多い計算量 45
補足 5. 外部境界条件 外部境界条件は 解析実行時に 解析領域と非解析領域の境界 ( 外部境界 ) に自動的に設定されます ユーザが別に境界条件を設定した場合は そちらが優先されます 外部境界条件 ( 電気壁 ) ポート 外部境界条件の種類は プロジェクトツリーから変更できます Hertz の初期設定は電気壁です ポートの面も外部境界ですが ユーザが設定したポートの方が優先されます 46