電磁波解析とは
電磁波解析とは、製品開発の初期段階からコンピュータを使った数値解析を行う手法の一種です。
CAE (英: Computer Aided Engineering) の一種で、高周波領域を対象に電界や磁界の可視化を行い、EMC (英: Electromagnetic Compatibility) の対策検討などに用いられます。
電磁波の支配的な方程式であるマクスウェル方程式 (英: Maxwell’s equations) を用いて、シミュレーションを行い、電磁波の挙動を算出します。2次元領域での導波路解析や、3次元領域での共振解析、過渡解析などが可能です。
電磁波解析の使用用途
電磁波解析の使用用途は、製品開発時のコンピュータを使った数値解析や、開発途中での不具合時の解析などが一般的です。
電磁波解析は電磁界解析の一種で、高周波を用いる無線通信用の回路やアンテナ・レーダーなどの解析や、EMCの電磁両立性解析などにも用いられます。電磁波解析は製品開発時の数値解析の一分野となっており、電磁気学を用いた応用製品の設計や開発にはなくてならない道具です。
電磁波解析の種類
例えば束縛のない放射問題のEMC解析に有効なモーメント法 (英: Method of Moments, MoM) は、一様な誘電物質の構造の解析には優れています。ただし不均一な構造の解析には適しません。
有限要素法 (英: Finite Elements Method, FEM) と呼ばれる手法では、構造の全面積をメッシュし解析を行い、不均質構造のモデリングには適しています。しかしモーメント法ほど効果的に放射問題をモデル化できません。
有限差分領域法 (英: Finite Difference Time Domain, FDTD) と呼ばれる手法では全空間のメッシュを行い、モーメント法や有限要素法と異なり時間領域での解析を行います。そのため過渡解析に適しており、複雑な不均質構造のモデリングに優れています。
電磁波解析の原理
コンピュータを使用した電磁波解析では、一般的にグリッドと呼ばれる空間を分割して、媒体をモデル化し、それぞれのグリッドごとにマクスウェル方程式を解きます。計算に用いる空間の離散化はコンピュータのメモリを消費し、グリッドが多いと方程式を解くための時間が長いです。
大規模な電磁波解析の場合には、コンピュータが使うメモリ量やCPU時間によって、計算の制限を設定します。必要な解析に合わせて、絶縁境界、周期境界、対称境界、インピーダンス境界のような各種境界条件だけでなく、タイムステップや周波数などを設定可能です。
電磁波解析ではそれぞれの瞬間で全時間領域のマクスウェル方程式を解き、有限要素法でモデル化された場合には基本式の係数をまとめた逆行列を、転送行列法では行列の積を、モーメント法では積分方程式を解きます。分割ステップ法やビーム伝播法で計算する際には、FFTと逆FFTを解きます。
電磁波解析の選び方
電磁波解析は電磁界解析の一種で、ノイズ解析などに用いられる手法はさまざまなものがあり、手法ごとに特徴が異なります。例えば、積分方程式または微分方程式による解析を行うのか、どの手法を選ぶのか、十分な検討が必要です。
そして高周波回路の近似が使われている理由を理解する必要があります。解析手法の特徴を考慮して、設計のフィードバックが重要です。
電磁波解析の構造
電磁波解析の計算結果は、数値とともに見やすい色分けしたグラフやコンター図で表現されます。電磁気は目視できず難しい現象であり、視覚的に表示すると、電磁界に詳しくない人や非エンジニアも現象を理解しやすいです。
電磁場解析ソフトウェアは電磁界シミュレータ (英: electromagnetic field solver) とも呼ばれます。解析可能な構造の次元で2.5次元と3次元に分類されます。2.5次元のシミュレータでは複数の層で構成されており、それぞれの層に2次元の図形が存在する構造を解析可能です。ただし同一の層には異なる電気物性を有する構造を配置できません。
参考文献
https://www.muratasoftware.com/support/download/files_seminar/femtet_hertz_1.pdf
https://www.cadjapan.com/products/search/industry_manufacture/cae_electromagnetic.html