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設計段階で、不要なノイズ (電流) の発生を確認し、設計変更を行った事例です。設計変更後はノイズが抑制できていることが確認できます。この解析事例は64bit版Femtet®(メモリ8GB実装)を使用しています。Femtet®ではこのような複雑な構造の大規模モデルでも解析が可能です。
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設計変更前
設計変更後
ICの下にある放熱用ビアをなくした場合の影響を解析した例です。ビアをなくした場合の最高温度は52.7℃となり、温度上昇は2℃以内となりました。ビアをなくした場合も、許容温度内に収まる事が確認できたため、設計変更を行い、金型作成のコストの削減につながりました。
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ビアありモデルの温度分布
ビアなしモデルの温度分布
生産設備の共振周波数を解析した事例です。共振周波数を前もって解析することで異常な振動の発生を避けた設備設計が可能です。この生産設備では治具の上下方向の動きを伴うため、伸縮みモードの375Hzを避けた設備設計を行いました。
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共振モードの図
今後広帯域システムの導入が促進され、電波資源の不足は深刻化するものと予測されます。ミリ波帯は電波資源拡大の候補であり、特に60GHz帯は高速無線伝送に対して注目されています。
ミリ波通信装置ではアクティブ回路の効率が高く望めないため、パッシブ回路の低損失化（低損失フィルタ、高Ｑ共振器）が望まれています。この解析事例ではフォトニック結晶構造のバンドギャップによるエネルギー閉じ込め効果をミリ波共振器に応用することを検討しています。
(2007年 電子情報通信学会 ソサイエティ大会 CS-2-6)
フォトニック結晶構造型フィルタ
解析モデル図
解析結果図
近年の携帯電話は音声通話やデータ転送など多機能になっており多くのアンテナが必要となってきております。 この内蔵アンテナは携帯電話の音声通話用アンテナを主用途としていますが他にもBluetooth®やGPSなどデータ通信などの送受信にも使用されています。
携帯電話用内蔵アンテナ
解析モデル図
解析結果図
現在、携帯電話では音声通話用の内蔵アンテナ以外に、ヘッドセットやPCとの無線接続用のBluetooth®アンテナやナビゲーション用のGPSアンテナが内蔵されてきています。チップ誘電体アンテナはそれらのBluetooth®アンテナやGPSアンテナに広く使用されています。 携帯電話に内蔵されるBluetooth®アンテナ、GPSアンテナは、携帯電話の多機能化／薄型化のトレンドの中で小型化／薄型化が強く求められています。それを実現するため、チップ誘電体アンテナでは高誘電率のセラミックス材料を使用してアンテナを小型化しています。
チップ誘電体アンテナ
解析モデル図
解析結果図
誘電体フィルタ（ギガフィル® ）は共振器の長さや本数 (段数) を変えることで、フィルタの周波数や特性を変えることができます。このため、お客様の要求するフィルタ特性，サイズに合わせた製品を比較的容易に生産することが出来ます。 主な用途としては800MHz〜3GHz程度の周波数の電波を利用するシステムに使用されていて、携帯電話の基地局などに使用されています。一つの基地局に複数個のギガフィル®が使用されることもあります。
ギガフィル®
解析モデル図
解析結果図
概要
次世代ワイヤレス通信規格に適した広帯域アンテナの開発が急がれています．漏洩波アンテナは伝送線路からの漏洩放射を利用するため，広帯域な放射特性を持っています．ストリップ線路型漏洩波アンテナは伝送線路の第一次高次モード（奇モード）で動作するため，ストリップ導体の端を２本の給電線により逆位相で励振しなければなりません．アンテナシステム全体の広帯域化のためには、漏洩波アンテナ素子だけでなく，給電回路部の広帯域化も必要です．本研究では，右手／左手系複合線路(Composite Right/Left-Handed Transmission Line: CRLH-TL)技術を用いることにより，給電回路部の広帯域化を検討します．また，この給電回路部を用いた広帯域漏洩波アンテナシステムの実現を検討します．
（IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 56, no. 11, pp. 3585-3589, Nov. 2008.）
説明
図1は設計した給電回路部の構造と寸法です．給電回路部は分岐した2本のマイクロストリップ線路で構成されています．分岐回路の一方（右側）を右手／左手系複合線路として分散曲線をデザインします．図2はFemtet®により解析した結果で，出力端（Port 2, Port 3）における位相差が広帯域に渡り逆位相(180° ± 20°)が得られており，これは半波長線路長差による従来の給電回路と比べて帯域幅が大幅に拡大されています．
図1 給電回路部の構造と寸法
図2 給電回路部の出力端における位相差の周波数特性
図3 マイクロストリップ漏洩波アンテナシステム
表1 6.5 GHz, 7.5 GHz, 8.5 GHz におけるH面の放射パタン
| 周波数 | 6.5GHz | 7.5GHz | 8.5GHz |
|---|---|---|---|
| H面の 放射パタン |
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図2,3はスイッチング電源に用いられるトランスの磁束分布を解析した事例です。一般に、トランスの磁場解析では、線形的な視点で解析することが主流となっています。しかし、半導体スイッチの開閉により電力の流れを制御するスイッチング電源では、トランスは非線形回路を構成する部品として動作します。このため、より現実に即した解析が求められています。新しい解析アプローチとして、時間区分ごとに磁界の振る舞いを考察しています。本解析に用いているモデルは、図1は新しく開発した電力変換回路トポロジーに用いられる複合磁気トランスです。電源において大きな体積を占める複数のインダクタを1つの磁性部品で構成が可能です。スイッチング電源の高効率化、小型軽量化を目的とする研究開発において、Femtet®が大いに役立っています。
図1 複合磁気トランス
図2 磁束密度分布（オン期間）
図3 磁束密度分布（オフ期間）
この事例では、はんだゴテを押しあてた時のチップコンデンサと基板の温度変化を非定常解析しています。このように時間が経過するにつれどのように温度分布が変化するのかを把握することができます。この例では行っていませんが、Femtet®では応力解析と連成し温度分布による応力の時間的な変化も把握することができます。
図1 チップコンデンサ温度変化
この事例では絶縁性DC-DCコンバータの温度分布を解析しています。図1はDC-DCコンバータの全体像を、図2,3は内部の温度分布を表しています。Femtet®を使う事で設計の初期段階で温度分布が把握できるため、温度上昇を抑えるための基板設計を効率よく行う事ができます。
図1 DC-DCコンバータ
図2 DC-DCコンバータ内部(表面)
図3 DC-DCコンバータ内部(裏面)
この事例では多層基板の電流による発熱を解析しています。図3は電流密度分布、図4は熱流速分布を表しています。電流により発熱し、その熱が主にパターン（電極）を通じて周囲に伝わっていく様子が分かります。Femtet®ではこのような電流（電場解析）と熱解析を連成した高度な計算を行うことができます。
図1 モデル図
図2 温度分布
図3 電流密度分布
図4 熱流速分布
この事例では多層コイルの漏れインダクタンスの計算を行っています。磁場解析（調和解析）を行い、指定周波数毎に境界条件点間で出力される複素インピーダンス（Z）から、インダクタンス(L)および抵抗(R)を計算しています。
多層コイルの2次コイル端子部ショート
図2 トランスの短絡インダクタンス
この事例では極異方性磁石を使った磁場解析を行っています。回転方向に磁化された磁石や、ラジアル異方性磁石を使った磁場解析にも対応しています。
図1 極異方性磁石の作る磁束密度分布
図2 計算結果 磁束密度分布
この事例では熱発電素子を使った熱解析を行っています。
熱電発電は、素子に掛かる温度差で発電量が決まるため、空冷で放熱を行なう場合、放熱に使用するヒートシンクの冷却能力の設計が必要になります。これは、定熱源に対するヒートシンクの冷却能力の影響を解析した例です。 ヒートシンクの大きさを変えることで冷却能力を変えて伝熱計算を行い、素子にかかる温度差を計算しました。 この温度差から素子の発電量を見積もり、デバイス動作に必要な電力が得られるヒートシンクの冷却能力を最適化することができました。
図1 熱電発電素子の解析モデル
図2 ヒートシンクの解析例(クリックすると解析結果をみることができます)
この事例ではモジュールの発熱部が基板に与える影響の熱伝導解析を行っています。
(解析結果を拡大すると、詳細をみることができます。)
図1 解析モデル
図2 計算結果 温度分布
