JP2768900B2 - 電磁界強度算出装置 - Google Patents
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Description
て電気回路装置の放射する電磁界強度を算出する電磁界
強度算出装置に関し、特に、高い精度でもって電磁界強
度を算出できるようにする電磁界強度算出装置に関す
る。
テレビやラジオ等の他の電波と干渉することから、最
近、各国で厳しく規制されるようになってきた。このよ
うな規制の規格として、日本ではVCCI規格があり、
米国ではFCC規格があり、ドイツではVDE規格があ
る。
は、シールド技術やフィルタ技術等のような種々の対策
技術を使う必要があり、これらの対策技術がどの程度電
波を減少させるかを定量的にシミュレートしていく必要
がある。これから、高い精度でもって電気回路装置の放
射する電磁界強度をシミュレートできるようにする電磁
界強度算出装置の構築が叫ばれている。
度は、物体各部に流れる電流が分かれば、公知の理論式
を用いて容易に計算することができる。この電流値は、
理論的には、マックスウェルの電磁波動方程式を与えら
れた境界条件の下で解くことで得られるものであるが、
任意形状物体を対象とした複雑な境界条件の下での理論
的な解法は現在知られていない。
られている電流を求める解法は、難易の程度はあるにせ
よ、すべて近似的なものである。現在、この近似的な解
法として、微小ループアンテナ近似法と、分布定数線路
近似法と、モーメント法という3種類のものが知られて
いる。
負荷回路との間を接続する配線をループアンテナとして
扱い、ループ上の電流は平坦なものと仮定して、これを
集中定数回路の計算手法で求める方法である。図23
に、この微小ループアンテナ近似法の構成を図示する。
は、最も簡単であるが、ループの寸法が電磁波の波長に
比べて無視できない条件では精度が極めて低下すること
から、現実には殆ど用いられていない。
造物として近似できる物体に対して、分布定数線路の方
程式を適用することで電流を求める方法である。計算は
比較的簡単であり、計算時間及び記憶容量も解析要素数
にほぼ比例して増加するに止まり、線路の反射や共振等
の現象も含めた解析ができることから、1次元の近似が
成立する物体については、高速・高精度の解析ができ
る。図24に、この分布定数線路近似法の構成を図示す
る。
次元の構造物として近似できる物体については、高速・
高精度の解析ができるものの、近似できない物体につい
ては解析できないという問題点がある。
電磁波動方程式から導かれる積分方程式の解法の1つで
あり、3次元の任意形状物体を扱うことができる。具体
的には、物体を小さな要素に分割して電流の計算を行う
ものである。
界強度算出装置では、電気回路装置の持つプリント板に
対してのみ、微小ループアンテナ近似法や分布定数線路
近似法やモーメント法を適用して、このプリント板が放
射する電磁波に従って、電気回路装置の放射する電磁界
強度を算出していた。
ていると、プリント板の放射する電磁波が、電気回路装
置の持つケーブルやワイヤやリードにより散乱、増幅さ
れ、また、電気回路装置の持つ金属筐体や金属構造物に
より散乱、遮蔽されるので、算出される電磁界強度が実
測値とは大きく異なるという問題点があった。
であって、モーメント法に基づいて電気回路装置の放射
する電磁界強度を算出する構成を採るときにあって、高
い精度でもって電磁界強度を算出できるようにする新た
な電磁界強度算出装置の提供を目的とする。
を図示する。図中、1は本発明により構成される電磁界
強度算出装置であって、モーメント法に基づいて解析対
象となる電気回路装置の放射する電磁界強度を算出す
る。
0と、電磁界強度算出手段11と、出力手段12とを備
える。入力手段10は、外部から与えられるCADデー
タを変換するCADデータ変換手段100と、外部から
与えられるライブラリデータを抽出するライブラリデー
タ抽出手段101とを備えて、解析対象となる電気回路
装置の構造体を入力する。
の入力した電気回路装置の構造体をメッシュに分割する
分割手段110と、分割手段110の分割した電気回路
装置の構造体に従ってモーメント法の連立方程式を導出
する導出手段111と、導出手段111の導出したモー
メント法の連立方程式を解く算出手段112と、算出手
段112の解いた値から電気回路装置の放射する電磁界
強度を計算する計算手段113とを備えて、モーメント
法に基づいて解析対象となる電気回路装置の放射する電
磁界強度を算出する。
示す電磁界放射パターンを図式化する電磁界放射パター
ン図化手段120と、算出された電磁界強度の示す電磁
界マップを図式化する電磁界マップ図化手段121と、
算出された電磁界強度の示す周波数スペクトルを図式化
する周波数スペクトル図化手段122とを備えて、電磁
界強度算出手段11の算出結果を図式化して出力する。
電気回路装置の持つプリント板類/ケーブル類/リード
類/金属筐体類の構造体を正確に入力する。すなわち、
プリント板類以外のケーブル類/リード類/金属筐体類
についても正確に入力するのである。なお、ここで言う
プリント板類とは、電磁波の直接的な放射源となる回路
装置を総称するものである。
確に入力されると、分割手段110は、その電気回路装
置をメッシュに分割する。続いて、導出手段111は、
分割したプリント板類と、分割したケーブル類/リード
類/金属筐体類との間の相互関係と、分割したケーブル
類と、分割したプリント板類/リード類/金属筐体類と
の間の相互関係と、分割したリード類と、分割したプリ
ント板類/ケーブル類/金属筐体類との間の相互関係
と、分割した金属筐体類と、分割したプリント板類/ケ
ーブル類/リード類との間の相互関係とを考慮しつつ、
プリント板類の持つ金属に流れる電流と、ケーブル類に
流れる電流(金属表面の電界をゼロにしようとするため
に金属表面に流れる本来の伝送電流でないコモンモード
電流も含む)と、リード類に流れる電流(コモンモード
電流も含む)と、金属筐体類の表面に流れるコモンモー
ド電流と、プリント板類や他の類の持つ誘電体の表面に
流れる等価電流/等価磁流とを未知数とするモーメント
法の連立方程式を導出する。
電気回路装置の構造体に従って、ケーブル類にコモンモ
ード電流の低減化を実現するコアが挿入されることを判
断するときには、そのコアの示すコモンモード電流の抑
制効果を考慮しつつモーメント法の連立方程式を導出す
る。また、導出手段111は、入力される電気回路装置
の構造体に従って、大地の反射波を考慮する必要がある
と判断するときには、反射波を生成する構造体イメージ
を生成するとともに、その構造体イメージに対して実像
とは同じ大きさを持つ逆向きの電磁流を想定すること
で、モーメント法の連立方程式を導出する。
方程式が導出されると、算出手段112は、この連立方
程式を解くことで、プリント板類の持つ金属に流れる電
流と、ケーブル類に流れる電流(コモンモード電流も含
む)と、リード類に流れる電流(コモンモード電流も含
む)と、金属筐体類の表面に流れるコモンモード電流
と、プリント板類や他の類の持つ誘電体の表面に流れる
等価電流/等価磁流とを算出し、この算出結果を受け
て、計算手段113は、この算出値から、電気回路装置
の放射する電磁界強度を計算する。
ーン図化手段120/電磁界マップ図化手段121/周
波数スペクトル図化手段122を使って、この計算され
た電磁界強度を図式化して出力する。
放射する電磁波に従ってケーブル類/リード類/金属筐
体類にコモンモード電流が流れ、これが新たな強い電磁
波源となることを認識して、モーメント法に従ってこの
コモンモード電流を算出する構成を採って、電気回路装
置の放射する電磁界強度を算出する構成を採るものであ
ることから、電気回路装置の放射する電磁界強度を高い
精度でもって算出できるようになる。
る。本発明の電磁界強度算出装置1には、解析対象とな
る電気回路装置の構造体が正確に入力されることにな
る。この入力データには、解析対象となる電気回路装置
の機械系CADデータと、解析対象となる電気回路装置
の電気系CADデータと、解析対象となる電気回路装置
のライブラリデータとがある。
るライブラリデータのデータ構造の一例、図3に、この
図2に示す各ライブラリの詳細なデータ構造の一例を図
示する。
電磁界強度算出装置1には、解析対象となる電気回路装
置の構造体が正確に入力される構成が採られるのであっ
て、電磁波を直接放射するプリント板の構造のみなら
ず、電気回路装置の持つケーブルやリードやワイヤや、
ケーブルに装着されるコアや、電気回路装置の持つ金属
構造物や金属筐体や、その金属筐体が持つ開口部や、電
気回路装置の持つ大地面等の構造についても漏れなく正
確に入力される構成が採られる。
気回路装置の放射する電磁波は、回路(プリント板)か
ら直接放射されるものばかりでなく、ケーブルやリード
やワイヤや金属構造物や金属筐体からも放射され、むし
ろこれらのものの方が強い場合が多いことから、これを
解析対象に入れるためである。
電磁波が電気回路装置の持つ金属物に放射され、金属表
面の電界が常にゼロであるという金属の境界条件を満足
させるべく、金属物の表面にこの入力電界を打ち消すた
めのコモンモード電流が流れて、このコモンモード電流
が強い電磁波を放射するという点を考慮して、回路以外
の持つ金属物の構造体についても正確に入力する構成を
採るのである。従来の電磁界強度算出装置では、回路の
持つ伝送路の金属物(行き来するディファンシャル電流
が流れる)のみを解析対象とし、非伝送路の金属物の表
面に流れるコモンモード電流については解析対象として
いなかった。
シールドケーブルのシールド部分や、ツイストペアーの
ケーブルにも流れる。すなわち、従来であれば、電磁波
を放射しないとして扱っていたケーブルにも流れて強い
電磁波の放射源となるので、本発明では、これらのケー
ブルについても漏れなく解析対象とするようにしてい
る。
は、電気回路装置がシールドボックスを持つ場合には、
シールドボックスで電磁波の放射が阻止されるものの、
シールドボックスが開口部を持つ場合には、この開口部
から漏れる電磁波が無視できないことから、これを解析
対象に入れるためである。
ックスの開口部の位置や大きさにより外部に放射される
電磁波が変化するし、更に、この電磁波により、外部に
出力されるケーブルに流れるコモンモード電流の大きさ
が変化することで放射される電磁波が変化するので、開
口部についても正確に入力する構成を採るのである。従
来の電磁界強度算出装置では、このようなシールドボッ
クスの開口部の影響については解析対象としていなかっ
た。
は、電気回路装置の持つケーブルにコアが装着される場
合には、そのコアの抵抗成分によりケーブルに流れるコ
モンモード電流が小さなものに抑えられることになるの
で、これを解析対象に入れるためである。
コアが装着されると、そのコアの抵抗成分によりケーブ
ルに流れるコモンモード電流が小さなものに抑えられ、
これにより放射される電磁波が変化するので、ケーブル
に装着されるコアについても正確に入力する構成を採る
のである。従来の電磁界強度算出装置では、このような
コアの影響については解析対象としていなかった。
は、電気回路装置が大地面を持つ場合には、その大地面
で反射波が生成されるので、これを解析対象に入れるた
めである。
ると、その大地面で反射波が生成され、これにより放射
される電磁波が変化するので、大地面についても正確に
入力する構成を採るのである。従来の電磁界強度算出装
置では、このような大地面の影響については解析対象と
していなかった。
置の正確な構造体が入力されると、電磁界強度算出装置
1の備える電磁界強度算出手段11は、先ず最初に、図
8に示すように、入力されてきた電気回路装置の構造体
をメッシュに分割する。
割することで、図9(a)に示すようにワイヤのダイポ
ールを生成し、金属や誘電体の面部分については面分割
することで、図9(b)に示すようにサーフェイスパッ
チのダイポールを生成し、金属の線部分と金属の面部分
との接続部分となる金属の面部分については放射状に分
割することで、図9(c)に示すようにアタッチメント
のダイポールを生成するのである。ここで、金属の線部
分と金属の面部分との接続部分となる金属の面部分を放
射状に分割するのは、電流の流れる形態に従う形状に分
割することで高精度の実現を図るからである。
のか誘電体内であるのかを表す識別子をq(以下、空気
中であるときにはq=0、誘電体内であるときにはq=
dとする)、2πを波長λで割った値をkで表すなら
ば、このようにして生成した金属のワイヤのダイポール
については、
されたZは、z方向の単位ベクトルであり、aはワイヤ
の半径である)を想定して、金属のワイヤ部分に流れる
電流をJs で表すならば、この展開関数を使って、電流
Js を
する。ここで、この係数In が電流の大きさを表し、最
終的にはモーメント法の連立方程式の未知数となる。ま
た、このようにして生成した金属や誘電体のサーフェイ
スパッチのダイポールについては、
数、Kは磁流の展開関数)を想定して、金属の面部分に
流れる電流や誘電体の面部分に流れる等価電流をJs 、
誘電体の面部分に流れる等価磁流をMs で表すならば、
この展開関数を使って、電流J s を上述の〔数2〕式の
ようにNc 個の展開関数のセットに展開し、一方、この
展開関数を使って、等価磁流Ms を
する。ここで、この係数In が電流の大きさを表し、最
終的にはモーメント法の連立方程式の未知数になるとと
もに、この係数Mn が磁流の大きさを表し、最終的には
モーメント法の連立方程式の未知数となる。
ッチメントのダイポールについては、
されたρは、ρ方向の単位ベクトルである)を想定し
て、金属のアタッチメント部分に流れる電流をJs で表
すならば、この展開関数を使って、電流Js を上述の
〔数2〕式のようにNc 個の展開関数のセットに展開す
る。ここで、この係数In が電流の大きさを表し、最終
的にはモーメント法の連立方程式の未知数となる。
した金属同士の相互インピーダンスZ0 C,C と、分割し
た金属と誘電体との相互インピーダンスZ0 c,d /Z0
d,cと、分割した誘電体同士の相互インピーダンスZ0
d,d /Zd d,d と、分割した誘電体同士の相互アドミッ
タンスY0 d,d /Yd d,d と、分割した金属と誘電体と
の相互リアクションB0 C,d /B0 d,c と、分割した誘
電体同士の相互リアクションB0 d,d /Bd d,d とを算
出する。
算値を表し、肩付き文字“d”は誘電体中での計算値を
表し、添え字“c”は金属を表し、添え字“d”は誘電
体を表し、添え字“c,c”は、金属から金属への相互
関係を表し、添え字“d,d”は、誘電体から誘電体へ
の相互関係を表し、添え字“c,d”は、誘電体から金
属への相互関係を表し、添え字“d,c”は、金属から
誘電体への相互関係を表している。
のm番目の展開関数の電流がメッシュvに与える電界を
Eq (Ju,m)で表すならば、メッシュuのm番目の展
開関数の電流と、メッシュvのn番目の展開関数の電流
との間の相互インピーダンスは、
行する。また、メッシュuのm番目の展開関数の磁流が
メッシュvに与える磁界をHq(K ,m)で表すなら
ば、メッシュuのm番目の展開関数の磁流と、メッシュ
vのn番目の展開関数の磁流との相互アドミッタンス
は、
行する。また、メッシュuのm番目の展開関数の電流が
メッシュvに与える磁界をHq(Ju,m)で表すなら
ば、メッシュuのm番目の展開関数の電流と、メッシュ
vのn番目の展開関数の磁流との相互リアクションは、
行する。また、誘電体メッシュuのm番目の展開関数の
磁流がメッシュvに与える電界をEq (K ,m)で表す
ならば、誘電体メッシュuのm番目の展開関数の磁流
と、メッシュvのn番目の展開関数の電流との相互リア
クションは、
行する。なお、この算出処理にあたって、一方のメッシ
ュに流れる電流/磁流が、他方のメッシュに与える電界
/磁界を計算する必要があるが、これは、図10に示す
ような波源と観測点との関係を想定するとともに、図中
に示す電流J +/J -を想定すると、電流J+ による電
界のz方向成分Ez + と、ρ方向成分Eρ+ は、図11
に示す算出式に従って算出され、電流J- による電界の
z方向成分Ez -と、ρ方向成分Eρ -は、図12に示
す算出式に従って算出され、電流J+ による磁界Hφ+
と、電流J- による磁界Hφ- は、図13に示す算出式
に従って算出される。
K+ による電界は、上記の−Hφ+に従って算出され、
電流J- と同じ関数形態を示す磁流K -による電界は、
上記の−Hφ -に従って算出され、この磁流K+ による
磁界は、上記のEz + ,Eρ + を使って図13に示す式
に従って算出され、この磁流K -による磁界は、上記の
Ez -,Eρ -を使って図13に示す式に従って算出さ
れることになる。
互アドミッタンス/相互リアクションを算出すると、続
いて、電磁界強度算出手段11は、プリント板に存在す
る波源をVi で表すならば、この波源Vi と、分割した
金属に流れる電流の大きさを表す係数Ic,n と、分割し
た誘電体の表面に流れる等価電流の大きさを表す係数I
d,n と、分割した誘電体の表面に流れる等価磁流の大き
さを表す係数Mn とを使い、金属の表面電界値がゼロを
示すという境界条件から導かれるモーメント法の連立方
程式 〔Z0 C,C 〕〔Ic,n 〕+〔Z0 C,d 〕〔Id,n 〕+
〔B0 C,d 〕〔Mn 〕=〔Vi 〕 と、誘電体の境界面の両側で電界の接線成分が等しいと
いう境界条件から導かれるモーメント法の連立方程式 〔Z0 d,c 〕〔Ic,n 〕+〔Z0 d,d +Zd d,d 〕〔I
d,n 〕+〔B0 d,d +Bd d,d 〕〔Mn 〕=
いう境界条件から導かれるモーメント法の連立方程式 〔B0 d,c 〕〔Ic,n 〕+〔B0 d,d +Bd d,d 〕〔I
d,n 〕+〔−Y0 d,d −Yd d,d 〕〔Mn 〕=
ている。
ント法の連立方程式を導出するのである。このモーメン
ト法の連立方程式の導出にあたって、電磁界強度算出手
段11は、ケーブルにコモンモード電流の低減化を実現
するコアが挿入されるときには、図14(b)に示すよ
うに、そのケーブルの持つ相互インピーダンスZ0 c,c
をそのコアのインピーダンスZL 分減じることで、モー
メント法の連立方程式を導出していくことになる。
には、図15に示すように、反射波を生成する構造体イ
メージを生成するとともに、その構造体イメージに対し
て実像とは同じ大きさを持つ逆向きの電磁流を想定す
る。そして、図16(a)に示すような実像間のモーメ
ント法のマトリクスを算出するとともに、図16(b)
に示すような実像とイメージとの間のモーメント法のマ
トリクスを算出して、この2つのマトリクスを使って、
図16(c)に示すようなモーメント法の連立方程式を
導出していくことになる。
性を持つことを利用して、イメージ電流を実像電流に対
して負の極性を持つもので表すというこのような反射波
処理を行うと、未知数の増加がないことで、計算時間は
概略2倍程度で済むことになる。これに対して、イメー
ジ電流を未知数として扱うと、未知数が2倍となり、計
算時間も概略4倍もかかることになる。すなわち、この
ような反射波処理を行うことで、高速処理が実現できる
のである。
式を導出すると、続いて、電磁界強度算出手段11は、
この連立方程式を解くことで、プリント板の持つ金属に
流れる電流と、プリント板の持つ誘電体の表面に流れる
等価電流/等価磁流と、ケーブルやワイヤやリードに流
れる電流(コモンモード電流も含む)と、金属筐体や金
属構造物に流れるコモンモード電流とを算出する。
算出した電流/等価電流/等価磁流を使い、図10ない
し図13に示した算出式に従って、電気回路装置の放射
する電磁界強度を計算する。すなわち、従来では考慮し
ていなかったコモンモード電流の放射する電磁界強度を
考慮しつつ、電気回路装置の放射する電磁界強度を計算
するのである。
算出処理に従って、電気回路装置の放射する電磁界強度
が計算されると、電磁界強度算出装置1の出力手段12
は、図17(a)に示すような放射電磁界強度をパター
ン表示する電磁界放射パターンを生成して出力したり、
図17(b)に示すような放射電磁界強度を濃度表示す
る電磁界マップを生成して出力したり、図18に示すよ
うな放射電磁界強度の周波数分布をグラフ表示する周波
数スペクトラムを生成して出力する。
行ったシミュレーション結果について説明する。このシ
ミレーションでは、図19に示す機械構造の電気回路装
置を想定し、この電気回路装置の持つプリント板が、図
20(a)に示す回路構成の2つのクロックパターンを
持つことを想定して、このクロックパターンの回路構造
を図20(b)に示す等価回路に変換するとともに、電
気回路装置全体を図21に示すようなメッシュ(ワイ
ヤ:295,サーフェイスパッチ:464,未知数:1066)に分
割することで行った。
電磁界マップを図示する。観測点の高さ位置は、0.865m
である。なお、この電磁界マップは、本来カラーで出力
されるものを図示したことから、濃度順に電磁界強度が
大きくなるようにとはなっていない。
口部があることで、外部に接続されるグランド線のケー
ブルからも電磁波が放射されていることがシミュレート
できた。そして、この電磁界マップの示す電磁界強度
は、実測値と極めてよい精度で一致することが確認され
た。
プリント板以外の金属物に流れるコモンモード電流の放
射する電磁界強度についても考慮することで、電気回路
装置の放射する電磁界強度を高精度でもって算出できる
ようになる。
射電磁界強度の削減機能を数値的に評価できるようにな
るとともに、大地面による放射電磁界強度の影響を数値
的にしかも高速に評価できるようになる。
Claims (4)
- 【請求項1】 モーメント法に基づいて電気回路装置の
放射する電磁界強度を算出する電磁界強度算出装置にお
いて、 電気回路装置の持つプリント板類/ケーブル類/リード
類/金属筐体類の構造体を正確に入力する入力手段(10)
と、 上記入力手段(10)の入力する電気回路装置の構造体に従
い、プリント板類/ケーブル類/リード類/金属筐体類
に流れる電流と、プリント板類や他の類の持つ誘電体に
流れる等価電流及び等価磁流とを未知数とするモーメン
ト法の連立方程式を導出する導出手段(111) と、 上記導出手段(111) の導出するモーメント法の連立方程
式を解くことで、プリント板類/ケーブル類/リード類
/金属筐体類に流れる電流と、プリント板類や他の類の
持つ誘電体に流れる等価電流及び等価磁流とを算出する
算出手段(112)と、 上記算出手段(112) の算出する算出値から、電気回路装
置の放射する電磁界強度を計算する計算手段(113) とを
備えることを、 特徴とする電磁界強度算出装置。 - 【請求項2】 請求項1記載の電磁界強度算出装置にお
いて、 計算手段(113) の計算結果を図式化して出力する出力手
段(12)を備えることを、 特徴とする電磁界強度算出装置。 - 【請求項3】 請求項1又は2記載の電磁界強度算出装
置において、 導出手段(111) は、入力される電気回路装置の構造体に
従って、ケーブル類にコアが挿入されることを判断する
ときには、該コアの示す電流抑制効果を考慮しつつ、モ
ーメント法の連立方程式を導出するよう処理すること
を、 特徴とする電磁界強度算出装置。 - 【請求項4】 請求項1、2又は3記載の電磁界強度算
出装置において 、 導出手段(111) は、入力される電気回路装置の構造体に
従って、大地の反射波を考慮する必要があると判断する
ときには、反射波を生成する構造体イメージを生成する
とともに、該構造体イメージに対して実像とは同じ大き
さを持つ逆向きの電磁流を想定することで、モーメント
法の連立方程式を導出するよう処理することを、 特徴とする電磁界強度算出装置。
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