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例題７ ダイポールアンテナ

　　　　　　　　　　
本例題について

• 完全整合層（ＰＭＬ）を用いた、ダイポールアンテナの解析事例を示します。
   

• 表に記載されていない条件はデフォルトの条件を使用します。
   

• プロジェクトファイルを取得（右クリックし、名前を付けてリンク先を保存してください。）
  
  

• Femtetのバージョンや環境により結果が多少ことなります。




• 「計算時間の短縮方法」
   

• 美しいアニメションの作り方を、このページの最後に書きました。

 

解析空間

項目	条件
解析空間	3次元
モデル単位	mm

 

解析条件

項目	条件
ソルバ 解析の種類に応じて、電磁界や応力を計算するソフト	電磁波解析[Hertz （ヘルツ） Femtetの電磁波解析ソルバの名称]
解析の種類	調和解析 正弦波で駆動したときの解析。解析条件で駆動する周波数を指定する。

 

 

調和解析および開放境界 アンテナなどの解析で、本来は無限まで続く解析空間を、有限領域で解析するときの外部境界条件の設定を以下のように行っています。

タブ設定	設定項目	条件
メッシュ ボディを四面体または三角形の要素に分割したもの。小さな要素ほど精度が良いが、計算時間が長くなる。	要素の種類	1次要素
	アダプティブ法	アダプティブメッシュを使用するをチェック
	周波数依存メッシュの設定	参照周波数：5×109[Hz] 表皮厚みより厚い導体ボディ 材料定数の導電率で、導体または完全導体を指定したボディを、導体ボディと呼びます。を境界条件 力、温度、電圧など、ボディの境界(トポロジ)に与える条件とするをチェック   本設定によってANTENNAの厚みが表皮厚みより厚いため、 ANTENNAの表面はステンレス材料の損失を有する境界条件が適用されます。
調和解析	スイープタイプ	等間隔 分割数 をチェック
	スイープ値	最小　3×109[Hz] 最大　6×109[Hz] 分割数：　100
	スイープの設定	高速スイープ 多くの周波数ポイントを計算する調和解析において、すべての周波数で計算すると時間がかかるので、間引いて計算する手法を選択 Sパラ変化量：　1×10-3
	入力	1.0[W]
開放境界	種類	PML（完全整合層） 電磁波を吸収する層。
	整合層の厚み	0.2波長※

※デフォルト値は0.3波長ですが、計算時間短縮の為0.2波長に変更しています。

モデル図

直方体の空気領域の中央付近に、２本の導体を作成しました。導体は直方体のソリッドボディ 立体形状（立方体、多面体、球、円柱など）をもつボディとしています。導体をつなぐ

ようにシートボディ 面形状（四角形、多角形、円、楕円など）をもつボディを作成し、入出力ポート 磁場解析では電流、電磁波解析では電磁波の入出力のある境界に設定する境界条件の境界条件を設定しました。

 

 

ボディ属性および材料定数の設定

ボディ No./ボディタイプ	ボディ属性名	材料名
3/Solid	ANTENNA	104_ステンレス鋼※
4/Solid	ANTENNA	104_ステンレス鋼※
5/Sheet	転写用
6/Solid	AIR	000_空気※

※材料データベースを利用

 

 

境界条件

境界条件名/トポロジ ボディを構成する要素のこと。点、辺、面トポロジがある。	タブ	境界条件の種類	条件
PORT/Face	電気	入出力ポート	基準インピーダンス：指定する 　をチェックし、５０Ωを指定する。 モード数： 　導波路の計算で求めるモード数：　5 　実際に３次元解析で使用するモード数：　1   モードの選択：チェックしない
OPEN/Face	電気	開放境界	解析条件の開放境界タブでPMLに設定
外部境界条件	電気	電気壁 電界がその境界に対し垂直に向く扱いになる境界条件。電磁場を解析するモデルの対称境界や完全導体面などに用いる。

 

解析結果

アンテナ給電部における反射特性（Sパラメータ）の解析結果を示します。

約4.5GHzにおいて整合が取れている事が分かります。

 

• 表示方法
  [結果表示]タブのの[特性値チャートの表示]の右横の▼を押下し、[S(Y)パラメータグラフ]を選択します。
  

 

 

アンテナの4.5[GHｚ]での放射電力指向性、効率の解析結果を以下に示します。

 

• 表示方法
  [結果表示]タブのの[特性値チャートの表示]の右横の▼を押下し、サブメニューから[指向性](グラフ)を選択します。
  

• 詳細は「[簡易モード]電磁波指向性計算」を参照してください。
  

 

 

 

メッシュ/計算結果図を見ると、下図のようにRESERVED_pml_xxという名前のボディ属性 ボディの電流値、発熱量など、材料定数以外の物性値を持った完全整合層が、

自動的に生成されていることが分かります。（下図のPMLという緑色の文字は、理解を助けるための注釈で、解析結果ウィンドウ

画面に表示されるものではありません）

 

 

理論解との比較

半波長ダイポールアンテナの理論界と放射パターンの比較を行いました。計算の条件は以下のとおりです。

・周波数　5.01GHz（アンテナの長さが、（1/2）波長になるような周波数を選択）

・XZ面で観測した場合の放射特性。観測点の位置の設定は、φ（最小値:0[deg],最大値:90[deg],分割数:0）、θ(最小値：-180[deg],最大値：180[deg],分割数：100)。

・表示の種類：POWER,、単位：dBi。

・電磁波指向性計算タブで、利得の種類、受け入れ電力基準を選択しました。操作方向は、次通りです。指向性計算ダイアログの、”その他の設定”ボタンを押すと、”電磁波指向性設定”ダイアログが表示されます。そこで、利得の種類、受け入れ電力基準を選択しました。

参考図書：　電波工学の基礎　実教出版　本郷廣平著

 

美しい放射のアニメーションの作り方

見栄えの良い放射のアニメーションを作るには、空気領域を広くとります。1波長以上の空間を用意しましょう。
大きな空気領域を作成したうえにPMLを使用すると、メッシュ数が増えて解析が困難になります。
吸収境界 音波、電磁波などの波の反射の発生しない境界条件。を利用して、メッシュ数の増加を抑制します。

また、メッシュサイズ 四面体、または三角形の一辺の長さを小さくする方が美しいアニメーションが描けます。
本例題で扱ったモデルと違う設定項目のみを記述します。
下図、左がモデル図、右が解析結果として得られた電界のコンター 等高線図です。
空気領域の球の中心をとおり、アンテナを含む面で断面図をとりました。

 

 

 

■設定項目

　解析条件 -> 開放境界タブ->　吸収境界

　解析モデル->空気領域の大きさ　半径60

　解析モデル->メッシュサイズ　4

  解析->メッシュ解析の設定->要素の種類　２次要素

 

■描画時の解析結果ウィンドウの状態

• [解析タイプ]： 電磁波解析

• [モード]： 4.5GHz

• [フィールドタイプ]： 電界

• [成分]： 大きさ

• [位相]： 90°※

• [スケール]： Log

※ コンター図の見た目の分かりやすさのための設定です。作成されるアニメーションには影響ありません。

 

■描画設定のコンタータブ

• “自動”のチェックを外す

• 最小値： 100

• 最大値： 1000

 

■断面図

空気領域の中心を通りYZ平面に平行な断面をコンターで表示すると、上の右側のような図が得られます。
アニメーションを作成すると本節の最初のアニメーションのように、電磁波が放射される様子を見ることができます。

 

• アニメーションの作り方は、「アニメーションの作成」をご覧ください。

 

• プロジェクト（右クリックし、名前を付けてリンク先を保存してください。）
  
  

• Femtetのバージョンや環境により結果が多少ことなります。

この解析をするには、50GB以上のメモリーをもった、64bit PCが必要と思われます。
適当なPCを用意できない場合、次のいずれか、または複数の手段を組み合わせて、計算コストを削減してください。

• メッシュサイズを大きくする： 操作は「メッシュタブ」をご覧ください。

• 要素の種類を1次要素にする： 操作は「メッシュタブ」をご覧ください。

• アダプティブメッシュを使用しない： 操作は「メッシュタブ」をご覧ください。