 | __高周波シミュレータ、電磁解析ソフト (RF/Electromagnetic simulators) |
目次
電磁(高周波)解析シミュレータ (マクスウエル方程式系、FDTD法など)
解説、参考(マクスウエルの方程式とは)
| 回路解析シミュレータの多くはSPICEをベースとしている。SPICEはカリフォルニア大バークレー校で開発され(バークレー校のSPICEページ)、現在も基本ソース(unix)は公開されている→download page。SPICE系の回路シミュレータはキルヒホッフの法則をベースとした節点解析法(ノーダル解析法) が使われている。回路網のすべての電流経路についてキルヒホッフの法則を適用し複素行列演算をおこなう。→ノーダル解析(節点解析)法説明pdf (エムイーエルのHP掲載のpdf) |
S・NAP 日本語。エムイーエル製。 ダウンロードソフトの無期限化は1万円で。パターン形状解析はSpiceではなくモーメント法。
CQ出版社のトランジスタ技術2001年5月号に紹介記事掲載。評価版が付録CDROMに。またI-Labaoratoryの市川さん執筆のシミュレーションで始める高周波回路設計(CQ出版)に応用例とCDが付属。
PSPICE SPICE系回路シミュレータでは世界的にユーザが最も多いといわれているソフト。MicroShimという会社がはじめ開発。その後ORCADに吸収され、さらにCadence社がOrCADを吸収。高周波向けシミュレータではないがS-PARA計算をさせる部品を作成することである程度対応できる。日本ではサイバネットシステムの扱い。2003/10 PSPICEV10がリリース。大手Cadenceに吸収されてからは無料評価版に制限が多くなった｡
PSPICE 評価版入手法
1)無料評価版CD(日本語説明付き)はサイバネットシステムに申し込む。
2) CQ出版社の「電子回路シミュレータPSPICE入門編」に付属のCDに収録。
この本は"トランジスタ技術"2002年5月号(V9.2評価版のCD付き)でインストール法から各種応用例説明までの特集が掲載された時の付録(基本部分をまとめた)を再編集したもの。なおこの号の"トラ技"は書店で売り切れ続出となりました。この号のSPICEの応用部分の内容を書籍にまとめた「電子回路シミュレータSPICE実践編」もCQ出版から出ています。この本の4章の執筆を管理者が担当しました。
PSPICE アプリケーションノート(英語) Cadence社Orcad-Pspiceのページ。
HSPICE Synopsys社の高精度SPICE系ソフト。ロスを含む伝送線路でも高精度高速にシミュレートできる特別なモデル(W)を有する。Gbps以上の高速信号パターン設計には有効といわれる。PSPICEより高価。これまで取り扱っていたNTTアドバンステクノロジはCADソフトの取り扱いから全面撤退に伴い、2006/3でHSPICEも取扱い終了日本シノプスが引き継ぐ。
HyperLynx (ハイパーリンクス)Mentor社のディジタル回路用伝送線路解析ソフト。アナログ知識のあまり無いディジタル設計者でもデバイスとパターン情報を入れれば波形のリンギングやパターン間干渉のシミュレーションが可能といわれ世界的に使われている。元はPLD書き込み器のtopメーカだったDataI/O社のエンジニアが開発したソフト。世界的に評判がよくなりMentorに吸収された。
これまで取り扱っていたパッズジャパンが2006/1倒産のため日本メンターが取り扱っている。内層に切れ目(スリット)がない場合は漏洩電磁波(EMI)レベルもそれなりにシミュレートできるといわれている。
DesignerSV 電磁界シミュレータで有名なAnsoft社の高周波回路シミュレータAnsoft Designerのお験し版(student version)無料down load可。(旧名SerenadeSV)。英語
Academic versionとのことですが、学校関係者の証拠提示必要という訳では無くRFを勉強しようとする人であればよいようです。ana400さんから情報提供いただきました(2001/6/18)。
CircuitMaker(英語) Altium社扱い 画面や操作が比較的簡素で入門者に使いやすいとのこと。「電子回路シミュレーター入門」講談社ブルーバックスシリーズ、加藤ただし著に機能制限のstudent版CD-ROMが付属。本の内容は実質簡素化した操作マニュアル(馬場様より情報提供あり掲載. 2001/11/12
Microwave Office 米国AWR(Applied Wave Research)社製。AWR社は元HPのシミュレータ開発メンバーが起こした会社｡サイバネットシステム扱い。高周波専用シミュレータとして世界的にメジャーなものの一つ。spiceではない。2次元積層パターンの電磁解析などの機能もoptionで可。回路定数やパターン形状などを画面上で変えるとSmithチャートの応答などが実時間で変化する｡Sonnetなど他社電磁界シミュレータなどのソフトとの連動にも力を入れている。動作期間限定(1か月間フル機能が使える)の評価ソフトはサイバネットシステムに申し込む。
サイバーネットのMicrowave officeのリンクページに相互リンクしていただきました。担当の田中様より2003/6にご連絡あり。
PUFF カリフォルニア工科大で開発されたRFシミュレーター。日本語の説明は→ ここ
| パターンレイアウトとSパラメータ計算。PUFFはSpiceではないがFDTD等より簡易な計算。実質フリーでソフトがダウンロードできる。 |
SIMetrix SPICE回路設計シミュレータ。開発元は英国Catena社。SIMetrix とSIMPLISを組み合わせるとスイッチング電源などの解析に強い。評価版は部品数などの制限があるのみでほぼ全機能が使える。かってのPSPICEの評価版(最近は大手に吸収され制限が多くなった)に取って代わるか?。
CQ出版より解説書付き評価版CD「電子回路シミュレータSIMetrix/SIMPLIS スペシャルパック」が出た(2005/12)。著者はトランジスタ回路の本で有名な黒田さん。
SCAT スイッチング電源回路解析用シミュレータ。日本で開発された。SIMetrix /SIMPLISのような汎用シミュレータではない。開発者中原教授執筆の本「SCAT電源シミュレーション入門」(日刊工業新聞社, 2004-08-30出版)も出ている。(2006/1リンクアアドレス修正)
変動する電磁現象(注)を表すマクスウエル方程式を使用して空間の電磁現象の解析を行うもので FDTD法、モーメント法、TLM法、有限要素法などを使用したものがある。
注: 英語でelectromagnetic fieldはフランス語、ドイツ語、ロシア語すべて電気系でも物理系でも一つの語で表されています。ところが日本では、電気系は電磁界、物理系は電磁場と互いに譲らず言葉が分かれています。さらに日本の表記を決める会議でelectric fieldやmagnetic fieldのfieldは"界"を正式とすると決められたとのことです(委員の構成は電気系の人が大半)。(babaさんの指摘により追加したコメント)。 もっとも電気系でもfieldは"場"と訳されるようです。
FDTD法説明、FDTDフリーソフト 横浜国大新井研のHP、不均一メッシュのプログラムソースも一般公開。→FDTD法とは
TOY-FDTD FDTDのフリーソフト。USAミネソタ大のHP(英語)。→FDTD法とは
アンテナ高周波シミュレーション結果(動画) 東京農工大宇野研のHP。FDTD適用。パルス応答。→FDTD法とは
JAVA Applet を使用した散乱電磁波のシミュレーション(動画、FDTD法) 東京工芸大 通信工学研究室
Microstripes (マイクロストライプス) TLM法による3D任意形状電磁界シミュレータ。 元英国 KCC社開発 (2008年2月にflomeircs社 からドイツのCST社に3D電磁界ソフト関連を売却。 日本のコンタクト先は →AET
参考 "電磁界シミュレータで学ぶ高周波の世界" の著者小暮さんによるMicrostripes の説明。 TLM法とFDTD法の比較なども。
Sonnet モーメント法による3Dプレーナー電磁界シミュレータ。このタイプは多層基板のような2次元形状を重ねたモデルのため2.5次元とも呼ばれる。評価版Sonnet Lite down load可。英語ページ。
日本の問い合わせ先は→有限会社ソネット技研 (ksugaharさんの情報により更新。2005/6)
参考 "電磁界シミュレータで学ぶ高周波の世界" (sonnet評価版CD ROM付き)の著者小暮さんによるSonnetの説明。) CQ出版"デザインウエーブマガジン"の付録CD-ROMに評価版収録。小暮さんによる解説記事あり。Microwave Officeとの連携ソフトあり。
Ensenble Designer お験し版(student version) モーメント法シミュレータ。無料down load可。Ansoft社提供。(ksugaharさんの情報によりアドレス更新。2005/6)
ASL AMaze 通常の電磁界ソフトに比べると10分の1程度と安価な有限要素法シミュレータ。ただし高周波電磁界は3Dでなく2D。3D高周波は電界。モデル作成部分などがモジュール化されているため荷電粒子解析などと共用が可能になっている。開発は米国Advanced Science Laboratory社で日本支社が販売｡
Ansoft HFSS 
有限要素法をベースとした3D電磁界シミュレータ。米国 Ansoft社のソフト。ANSOFT社は流体・熱解析ソフトの大手ANSYS社に2008/8/1買収された。高価ですが世界的にメジャー・有名な電磁シミュレータ。日本語の説明は→アンソフトジャパン。 無料評価版ダウンロード可。
| 日本のコンタクト先はアンソフトジャパン。通常のFDTD法などに比べメッシュ(シミュレーション計算の単位)を細かくすべきところだけ(自動的に)細かく設定されるため曲線や細かな部品がある系のシミュレーションの時間が短くなる。なおFDTD法でもメッシュサイズを可変する方法もある。 |
MW STUDIO FDTD法と同様に時間軸で計算する有限積分法（FI法）と完全境界近似法（PBA法）を主に採用した3次元電磁界シミュレータ。メッシュの基本はFDTDと同様の立方体が基本だがセル(メッシュ)の中を物体と空間にわけて計算する設定にすると、メッシュが粗くても精度が出、計算速度も速い。三角錐メッシュで周波数領域で計算するエンジンなども選べる(追加オプション)。開発元はドイツのCST社｡ CST社の名称はMicrowave Studio. 日本での取り扱いはAET。
CSTのホームページに紹介された応用例のページUSA Doty社(Qが高く円筒形状のモデルには適しているとのこと)。
なお独CST社は2008年2月に英国の会社からTLM法MicroStripesを買収。時間領域の計算ではMW Studioのものよりメッシュが直方体のみであるMicroStripesの法が計算時間がかなり短くなる。このため、基板パターンなどの用途のMW Studioの計算エンジンとしてMicroStripesを取り込んでいくことが考えらられる。(AETJapan N様よりアドレス修正依頼2005/10｡馬場先様よりアドレス修正依頼2003/9。上田様よりリンク依頼2002/8)
■ トピックスとして 並列計算するプログラム用にPCのグラフィックス用チップの持つ並列処理機能を活用して数倍の速度で計算できるPC用専用カードがAcceleware社(カナダのベンチャー企業)から売りだされている。MW studioの時間領域計算もそれに対応している。ただし部分的に細かなメッシュを切って全体のメッシュと組み合わせている場合には適用できないとのこと。 Agilentの電磁界シミュレータはこのカードに対応しているとの事。また富士通のFDTDベースの電磁界シミュレータは並列演算可能とうたわれているが自社の計算機を複数使用する場合に並列演算ができるとのことでAccelware社のカードには対応していないとのこと(2008/3に問い合わせた結果)
Agilent EMDS アジレント社の電磁界解析ソフト．有限要素法．AnsoftのHFSSなどの原型との話もある(アジレントの営業マンの話)．
富士通ポインティング FDTD法による3D電磁界解析ソフト．
Key-FDTD ㈱科学技術研究所開発のFDTDソフト。2003/10販売開始(価格=70万円などを含む適用例など ) ( ㈱ 科学技術研究所の柳下様よりリンク依頼あり掲載 2003/10。リンク先変更情報柳下様よりあり更新。2005/6)
電磁解析LINK集
EMLIB NASA JPLジェット推進研のHP。電磁解析ソフトへのリンク多し。(英語)
公開電磁解析ソフトへのリンク集 Missouri-Rolla大(英語)
市販電磁解析ソフトへのリンク集 Missouri-Rolla大(英語)
電磁界シミュレーターリンク集 東工大平野さんのページ
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金属(導電体)に電気が流れると周囲に磁場ができる。この関係を万有引力の法則の式にならって表したのがアンペールの法則。しかしコンデンサーを通して交流(電流が変化)が伝わる現象とは合わない。マクスウエルはアンペールの法則に変位電流という項を追加して絶縁材をはさんで変化する電流が伝わる(変化する磁場ができる)ことを示す関係式を導いた。一方磁場が変化すると(絶縁材をはさんで)近くに置かれた金属(導電体)に電気が流れる(ファラデーの法則)。変化する電流が近くの場に変化する磁場を作り、その変化する磁場の場がさらに変化する電場をつくり....と導電体(電荷)を介在しなくとも連鎖して変化する電気が伝わることなり、マクスウエルは空間を伝わる電磁波の存在を予測した。 (
マクスウエルの方程式として電磁気学の教科書にはベクトル表記の式(上記4式)が載っている。これらの表記は後に英国のヘビサイドが整理したもの(参考 「パソコンによるアンテナ設計」小暮裕明編著 CQ出版の第1章など(ヘビサイドは過渡現象を計算するために演算子法と呼ばれる方法を考案した人。後から数学的にはラプラス変換(の一部)と証明される→説明。馬場様のご指摘を参考。2002/1/1))。オンラインで見れる大学講義レベルのマックスウエルの方程式説明→電磁気ノート(山梨大中川教授のページ)。オフライン(pdF)では東工大OpenCourseWare(OCW)の公開電磁気講義ノート(各行の添付ファイル(pdf)をクリックする)。 rotの意味についてわかりやすく解説された本として長沼伸一郎著"物理数学の直観的方法"通商産業研究社がある。 マクスウエルが予言した電磁波はヘルツが1887年に発見。
なおファラデーが電磁誘導の法則を発見した1831年にマクスウエルが生まれたとか("マクスウエル・場と粒子の舞踏"吉田武 著 共立出版 第28章など)。 またマックスウエルがファラデーを手本に書いたという「電気論の初歩 上巻」(訳 竹内薫)が2006/2、JUNKDOのみから売り出されるそうです。JUNKDO TOPページに2/15発売と出ていたので店に行きましたら"まだ"とこのこと、ホームページの発売日を2/28に修正しますということでした。
上に記しました発見の年など間違いがありえますので内容を引用される場合はしかるべき書籍や辞典などで確認ください。
現在大学レベルの電磁気学では上の式でなく電磁ポテンシャル，電磁ベクトルという3次元空間に時間を加えた形であらわす4元ベクトルを基本にした式でマクスウエルの式をあらわします。本来マクスウエルはそのような形で表していたのですが，ヘルツとヘビサイドが電場と磁場が実態と考え，電磁ポテンシャルのようなパラメータは実態でないから用いないほうがわかりやすいと考えたことから省いたといわれています。もっともそのために一般の研究者，エンジニアが電磁気現象にマクスウエルの式を活用するには理解しやすくなったといわれています．現状までの工学面などへのマクスウエル式の適用では電場と磁場(電気系では電界と磁界という)が実態として計算しても不具合なく電磁気に関連する回路やアンテナなどが実現できることから当面この取り扱いで進むと思われます．マクスウエルの式を基本にしている電磁界シミュレータでも多くは電場と磁場を元に計算しています。
電磁波の伝播を記述するマクスウェルの 微分方程式を差分(Finite Difference)化し，時間領域 (Time Domain)で解く方法。メッシュ分割できる解析対象であれば基本的にどんなものでも解析できる。モーメント法、 有限要素法では計算が困難な場合でも比較的簡単に解くことができるといわれている。解析領域の回りの境界条件が無反射で良いため、アンテナ解析などに向くといわれている。 →FDTD法 横浜国大新井研の説明
マクスウェルの方程式から目的とする構造に対する積分方程式を導出し周波数領域で数値的に解く方法。FDTD法が任意形状で良いのと比べると対象物の構造に制約がある。プログラムはFDTD法より複雑だが限定形状の場合には精度が出やすい。
FDTD法と同じくマクスウェルの方程式を時間領域で計算。電界と磁界両方がすべての境界ノードで計算されるため複合的な境界条件をモデリングする上ではFDTD法よりもすぐれている。TLM法もFDTD法も、メッシュが粗い場合は分散誤差を受けやすくなるが、TLM法はFDTD法よりは受けにくく、より精度を保てる。
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ON LINE/OFF LINE情報
電磁気ノート 山梨大中川教授のページ。 大学の電磁気講義ノート
電磁気学の補足 武蔵工業大学 電磁工学研究室 阿部教授の電磁気学説明。Microsoft Powerpointアニメーションを使用した説明。PCにパワーポイントが導入されているとオンラインでマウスの左ボタンをクリックする毎に画面内の説明や絵が進んでいく。2002/5/8
電磁気講義ノート 東工大OpenCourseWare(OCW)で公開の資料(pdf)。各行の添付ファイルアイコンをクリックする。
FDTD.org FDTDの文献一覧(英語)。Finite-Difference Time-Domain Literature Database.
図書、文献
・電磁界解析関連
マイクロ波シミュレータの基礎（CD-ROM付）山下榮吉 監修A5判 ，平成16年3月発行
電子通信情報学会が出している本。定価5,250円（税込），学会員割引価格4,200円（税込）→電子情報通信学会の単行本目録ページ
FDTD法による電磁界およびアンテナ解析 宇野亨 コロナ社 東京農工大宇野教授のHP。
| Finite Difference Time Domain method(FDTD法)の解説本。解析法全般と部分的にFORTRANプログラムで解説。FDTD法とは |
実践FDTD時間領域差分法 橋本修 森北出版 著者は青山学院大教授。橋本研究室
2006.9初版 下記の本と同じ筆者。より実際に自分でFDTDのプログラムを作れるように記述されている。電磁気以外への適用も書かれている。CDは付属していないが付録として掲載されている並列処理FDTDのCプログラムのソースは出版社のホームページにアップされている。
FDTD時間領域差分法入門 橋本修 森北出版 1996年．著者は青山学院大教授。橋本研究室
A.Taflove, Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method, 3rd edition, 2005, Althech House.
FDTDの本では有名｡1995年の初版から5年毎の改定で第3版がでている。一部のFDTDソフトを収めたCD-ROM付き。Matlabがインストールされていれば動作させられる(ただし管理者が動作確認しましたのは2nd editionのCD-ROMです)。
| アンテナ解析。FDTD法の実際のプログラムソース掲載(FORTRANプログラム)。著者は横浜国大助教授。 FDTD法とは |
電磁界シミュレータで学ぶ高周波の世界 小暮裕明 CQ出版 。電磁解析ソフト Sonnet体験版CD-ROM付
電磁界シミュレータで学ぶワイヤレスの世界 小暮裕明 CQ出版 。電磁解析ソフト Sonnet体験版CD-ROM付
| 高周波の世界の続編。著者の小暮さんは高周波の独立コンサルタント。Sonnet, Micro-stripesの解説ページには各日本代理店のホームページからリンクされている。 |
・回路解析関連
電子回路シミュレータPSPICE入門編 CQ出版
電子回路シミュレータSPICE実践編 CQ出版
シミュレーションで始める高周波回路設計 市川裕一，2005年，CQ出版
電子回路シミュレーション技法 浅井秀樹 他， 2002年, 科学技術出版
「SCAT電源シミュレーション入門 中原正俊， 2004年，日刊工業新聞社
25-Apr- 2008: MicroStripesがCSTに買収。マクスウエルの式説明の修正追加。
01-Nov- 2006: FDTD書籍(実践FDTD時間領域差分法)追加
15-Sep- 2006: 管理者mail address変更
25-Feb- 2006: 図書，文献整理追加。 ASL AMaze情報追加。
15-Feb- 2006: 東工大OCW講義ノート、電磁界シミュレータリンク(東工大平野さん)追加。
09-Feb- 2006: HPSPICE、HyperLynxリンク追加。
24-Jan- 2006: PSPICE関係、DesignerSVリンク先手直し。
12-Nov- 2005: SCAT,Simetrixリンク追加
07-Jun- 2005: keyFDTD、Sonnet技研などのリンク先手直し。
10-Nov- 2004: Geocitiesの構成変更対応アドレスなどの手直し。
21-Jun- 2004: 管理者mailアドレスリンクはずし(迷惑mail対策)。
18-Oct- 2003: Key-FDTDのページにリンク。リンク切れ修正。一部体裁手直し。
21-Sep- 2003: MW-studioの一部ページリンクアドレス修正
17-Jul-2003: Microwave Officeのページリンクアドレス修正
07-Aug-2002: MW-Studio(AET ジャパン)リンク
08-Jul-2002: Micro stripes リンク手直し
20-Jun-2002: HTML手直し
08-May-2002: 武蔵工大 阿部教授の電磁気学説明追加.
12-Mar-2002: Pspice V9.2評価版 説明変更。
14-Jan-2002: MEL SPICE説明アドレス修正。物理数学の直"観"的方法に字訂正。
06-Jan-2002: Sonett Lite 評価版情報追加。物理数学の直感的方法説明追加。
01-Jan-2002: PSPICE V9.2 評価版情報追加。 ヘビサイド説明手直し。
12-Nov-2001: CircuitMakerリンク追加。ヘビサイド説明手直し。
07-Sep-2001: ページ内リンク不具合手直し。
03-Sep-2001: 高周波シミュレータ・電磁界解析のページとして独立。
関連ページ 、他
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