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回路定数解析プログラム

国内特許コード P05A007635
整理番号 KANDAI-55
掲載日 2005年11月11日
出願番号 特願2003-359567
公開番号 特開2005-122638
登録番号 特許第4302479号
出願日 平成15年10月20日(2003.10.20)
公開日 平成17年5月12日(2005.5.12)
登録日 平成21年5月1日(2009.5.1)
発明者
  • 高田 政明
  • 飯田 幸雄
出願人
  • 関西大学
発明の名称 回路定数解析プログラム
発明の概要 【課題】 FDTD法等における表面インピーダンス境界条件を用いた実用的な導体境界処理に適用可能なように、対象とする金属の導体表面インピーダンスを近似すべく、単位等価回路を複数接続して等価回路を構成し、この等価回路のインピーダンスと導体表面インピーダンスとが広帯域にわたって高精度近似し得るように等価回路における回路定数を解析可能な、回路定数解析プログラムを提供することを課題とする。
【解決手段】 本発明は、対象とする金属の導体表面インピーダンスを近似すべく、単位等価回路10を複数段(p段)接続して等価回路1を構成し、前記等価回路1の等価回路インピーダンスにおける回路定数(R、L)を演算すべく、コンピュータを機能させる、回路定数解析プログラムである。<EMI LX=1100 HE=067 WI=068 ID=000002 LY=1742>
【選択図】 図1
従来技術、競合技術の概要 【背景技術】
時間領域の電磁界解析法である差分時間領域法(FDTD法)(例えば、非特許文献1参照。)、伝送線路行列法(TLM法)(例えば、非特許文献2参照。)、あるいは空間回路網法(SNM)(例えば、非特許文献3参照。)等は、電磁波回路の設計・開発における重要なツールとして注目されている。近年の無線通信における使用周波数帯域の高周波化・広帯域化に伴い、回路に用いる金属の有限な導電率に起因する損失およびその周波数分散は無視することができなくなっており、電磁界解析でそれらを考慮できる導体処理がいくつか提案されてきた。 FDTD法には、Frequency Dependent FDTD法(例えば、非特許文献4,5参照。)がある。この方法は、周波数分散性媒質の内部の電磁界を計算するものであるが、金属内部では電磁波が急激に減衰するため、内部の格子間隔を導体外部に比べ非常に細かく設定しなければならず、膨大な計算機メモリおよび計算時間が伴うという問題があった。 そこで、表面インピーダンス境界条件(Surface Impedance Boundary Condition:SIBC)を用いた処理法が提案されている。これは、電磁波が金属表面のごく浅いところまでしか浸透せず、金属表面のごく近い電磁界だけが外部の電磁界に影響することを考慮して、金属表面の電磁界のみ計算するものである。本来、表面インピーダンスは周波数領域の概念である。導体の表面インピーダンスは周波数の関数であり、時間領域では導体表面の電磁界と導体表面インピーダンスとの関係は畳み込み積分となる。これは、導体表面の過去の電磁界を全て蓄積しておかなければならず、さらに計算時間も著しく増加する(例えば、非特許文献6参照。)。 時間領域においてProny近似を用いる方法(例えば、非特許文献7,8参照。)があるが、時間領域での近似誤差がどの周波数成分にどれくらいの影響を与えるのかが容易に把握できない。そのため、解析の対象として考えている周波数帯域内で近似誤差の影響を少なくするのが難しい。また、非特許文献8で述べられているSIBCを実用的観点から検討した結果、FDTD法の時間ステップ数が増加するにつれ、精度の良い近似式を得ることが急速に困難となることが確認されている(例えば、非特許文献9参照。)。 さらに、周波数領域で近似を用いる方法もある(例えば、非特許文献10~15参照。)。これらは、近似に用いる独自の係数(例えば、近似の次数等)を変えることによって特定の誤差範囲で周波数分散性表面インピーダンスを広帯域近似可能であるが、その中で高精度近似できる周波数帯域は方法独自の係数によって自動的に決まる。つまり、ユーザは解析対象とする周波数帯域の導体表面インピーダンスを高精度近似したくてもできない場合が生じるという問題があった。
【非特許文献1】K.S.Yee, "Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media," IEEE Trans. Antennas & Propag., vol.AP-14, no.3, pp.302-307, May 1966.
【非特許文献2】S.Akhtarzad and P.B.Johns, "Solution of Maxwall's equations in three space dimensions and time by the t.l.m.method of numerical analysis," IEE Proc., vod.122, no.12, pp.1344-13348, Dec.1975.
【非特許文献3】吉田則信,深井一郎,福岡醇一,“電磁界の節点方程式による過渡解析”,信学論(B),vol.J63-B, no.9, pp.876-883, Sept. 1980.
【非特許文献4】R. J. Luebbers, F. Hunsberger, K. S. Kunz, R. B. Standler, M. Schneider, "A frequency-dependent finite-difference time-domain formulation for dispersive materials," IEEE Trans. Electromagnetic Compatibility, vol.32, pp.222-227, Aug. 1990.
【非特許文献5】R. J. Luebbers, F. Hunsberger, K. S. Kunz, "A frequency-dependent finite-difference time-domain formulation for transient propagation in plasma," IEEE Trans. Antennas & Propag., vol.39, no.1, pp.29-34, Jan. 1991.
【非特許文献6】F. M. Tesche, "On the inclusion of loss in time-domain solutions of electromagnetic interaction problem," IEEE Trans. Electromagnetic. Compat., vol.32, pp.1-4, Feb. 1990.
【非特許文献7】J. G. Maloney, G. S. Smith, "The use of surface impedance concepts in the finite-difference time-domain method," IEEE Trans. Antennas & Propag., vol.40, no.1, pp.38-48, Jan. 1992.
【非特許文献8】J. H. Beggs, R. J. Luebbers, K. S. Yee, K. S. Kunz, "Finite-difference time-domain implementation of surface impedance boundary conditions," IEEE Trans. Antennas & Propag., vol.40, no.1, pp.49-56, Jan. 1992. See also "Corrections," IEEE Trans. Antennas & Propag., vol.41, no.1, pp.118, Jan. 1993.
【非特許文献9】高田政明,飯田幸雄,“FDTD法における導体表面インピーダンス境界条件についての検討”,信学技報,MW2002-13,April 2002.
【非特許文献10】C. F. Lee, R. T. Shin, J. A. Kong, "Time domain modeling of impedance boundary conditions," IEEE Trans. Microwave Theory & Tech., vol.40, no.9, pp.1847-1850, Sept. 1992.
【非特許文献11】K. S. Oh, J. E. Schutt-Aine, "An efficient implementation of surface impedance boundary conditions for the finite-difference time-domain method," IEEE Trans. Antennas & Propag., vol.43, no.7, pp.660-666, July 1995.
【非特許文献12】Y. Nishioka, O. Maeshima, T. Uno, S. Adachi, "Fdtd implementation of surface impedance boundary condition for dispersive layer backed by perfect conductor," IEICE Trans. Electron., vol.E81-C, no.12, pp.1902-1904, Dec. 1998.
【非特許文献13】C. W. Penney, R. J. Luebbers, J. W. Schuster, "Scattering from coated targets using a frequency-dependent, surface impedance boundary condition in fdtd," IEEE Trans. Antennas & Propag., vol.44, no.4, pp.434-443, April 1996.
【非特許文献14】M. C. Marcysiak, W. Gwarek, M. Sypniewski, "A simple and effective approach to fd-td modeling of structures including lossy metals," APMC'98, pp.991-993, 1998.
【非特許文献15】本谷智宏,並木武文,伊藤公一,“導体損失を考慮したFDTD法による伝送線路の解析”,信学技報,MW99-215, Feb. 2000.
産業上の利用分野 本発明は、対象とする金属の導体表面インピーダンス(Zs(ω))を近似すべく、単位等価回路を複数接続して等価回路を構成し、この等価回路の等価回路インピーダンス(Zin(ω))における回路定数(L、R)を高精度に演算し、解析対象とする周波数帯域の導体表面インピーダンス(Zs(ω))を広帯域にわたって近似精度を高く維持可能な、回路定数解析プログラムに関するものである。
特許請求の範囲 【請求項1】 対象とする金属の導体表面インピーダンス(Zs(ω))を近似すべく、単位等価回路を複数段(p段)接続して等価回路を構成し、前記等価回路の等価回路インピーダンス(Zin(ω,p))における回路定数(R、L)を演算すべく、コンピュータを機能させる回路定数解析プログラムであって、 コンピュータを、 予め前記導体表面インピーダンス(Zs(ω))およびこの導体表面インピーダンス(Zs(ω))の実部の角周波数に対する微係数(Ss(ω))、ならびに前記等価回路インピーダンス(Zin(ω,p))およびこの等価回路インピーダンス(Zin(ω,p))の実部の角周波数に対する微係数(Sin(ω,p))についての関数を記録しておく記録手段、 予め前記単位等価回路の接続段数に対応した、回路定数であるレジスタンス(R)およびリアクタンス(L)についての関数を記録しておく記録手段、 導体の導電率(σ)と、導体表面インピーダンスを等価近似したい周波数帯域の中心周波数(f0=ω0/2π)と、等価近似したい周波数帯域の下限周波数(fL)と、等価近似したい周波数帯域の上限周波数(fH)とを入力する入力手段、 前記入力したデータを用いて、前記導体表面インピーダンス(Zs(ω))の実部の角周波数に対する微係数(Ss(ω))と、前記等価回路インピーダンス(Zin(ω,p))の実部の角周波数に対する微係数(Sin(ω,p))とを演算し、これらの値の差が極小となる条件において、前記導体表面インピーダンス(Zs(ω))の実部と、前記等価回路インピーダンス(Zin(ω,p))の実部との値の差が所定の範囲内であることを判断した際に、そのときの回路定数であるレジスタンス(R)およびリアクタンス(L)を出力する出力手段、 として機能させ、 さらに、前記導体表面インピーダンス(Zs(ω))およびこの導体表面インピーダンス(Zs(ω))の実部の角周波数に対する微係数(Ss(ω))が以下の関数<EMI LX=0250 HE=028 WI=159 ID=000070 LY=0457>(ここで、ωは角周波数、μは透磁率、σは導電率である。)で定義され、 前記等価回路インピーダンス(Zin(ω,p))およびこの等価回路インピーダンス(Zin(ω,p))の実部の角周波数に対する微係数(Sin(ω,p))が以下の関数<EMI LX=0250 HE=031 WI=159 ID=000071 LY=0971>で定義され、 前記単位等価回路を2段接続して前記等価回路を構成した場合には、回路定数であるレジスタンス(R)およびリアクタンス(L)が以下の関数<EMI LX=0250 HE=028 WI=159 ID=000072 LY=1485>で定義され、 前記単位等価回路を3段接続して前記等価回路を構成した場合には、回路定数であるレジスタンス(R)およびリアクタンス(L)が以下の関数<EMI LX=0250 HE=033 WI=159 ID=000073 LY=1948>で定義され、 前記単位等価回路を4段接続して前記等価回路を構成した場合には、回路定数であるレジスタンス(R)およびリアクタンス(L)が以下の関数<EMI LX=0250 HE=033 WI=159 ID=000074 LY=0200>で定義され、 前記単位等価回路を5段接続して前記等価回路を構成した場合には、回路定数であるレジスタンス(R)およびリアクタンス(L)が以下の関数<EMI LX=0250 HE=031 WI=159 ID=000075 LY=0714>で定義されており、 前記α,β,γ,およびδの少なくとも一つの係数を変化させつつ、入力された前記下限周波数(fL)から前記上限周波数(fH)の範囲内で周波数を変化させて、前記導体表面インピーダンス(Zs(ω))の実部の角周波数に対する微係数(Ss(ω))と前記等価回路インピーダンス(Zin(ω,p))の実部の角周波数に対する微係数(Sin(ω,p))とを演算し、これらの値の差が極小となる条件において、前記導体表面インピーダンス(Zs(ω))の実部と、前記等価回路インピーダンス(Zin(ω,p))の実部との値の差が所定の範囲内であることを判断した際に、そのときの回路定数であるレジスタンス(R)およびリアクタンス(L)を出力すべく、コンピュータを機能させることを特徴とする回路定数解析プログラム。
産業区分
  • 計算機応用
国際特許分類(IPC)
Fターム
出願権利状態 権利存続中
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