XFdtdの回路素子オプティマイザの概要

はじめに

XFdtd 3D電磁界シミュレーション・ソフトウェアは、全波有限差分時間領域（FDTD）シミュレーション法を使用してアンテナおよび整合回路構造を解析します。 XFの回路素子オプティマイザは、全波解析を利用して、指定されたプリント基板（PCB）レイアウトの部品値を選択します。この選択プロセスは、ユーザーが定義した放射効率またはSパラメータの目標によって導かれ、アンテナの金属と近傍のプリント回路基板トレース間の結合など、整合回路構造に影響を与えるすべてのEM現象を考慮することで精度を維持します。

FDTDにおける回路部品シミュレーション

XFは、EMシミュレーション・メッシュに直接接続された理想的な集中回路素子をシミュレートします。 回路素子は、EMシミュレーションとともに時間領域でシミュレーションされます。これらの回路部品には、ディスクリート電圧源励振や終端抵抗のほか、コンデンサやインダクタなどのアンテナ整合部品があります。 これらのコンポーネントは、シミュレーション中にEMシミュレーションから理想的な回路図に分割されることはありません。その結果、回路部品のシミュレーションでは、全波FDTD電磁界シミュレーションで判明した信号トレース損失、ビアインダクタンス、グランドリターンパス、伝送線路の効果が考慮されます。

回路素子の最適化

Building on XF’s ability to simulate lumped circuit elements connected directly to the EM mesh, XF’sCircuit Element Optimizerdetermines best component values based on the following goals:

• 放射効率

• システム効率

• Sパラメータ

マッチング回路素子を配置した状態で全波電磁界シミュレーションを行うことで、XFはシステムの特性を評価し、コンポーネントを別の環境に移動したり理想的なグランドを追加したりすることなく最適化を実行します。 XFでは、最適化を繰り返すたびにEM構造をシミュレーションすることはありません。 その代わり、EM構造は静的なままであり、すべてのEM相互作用が考慮され、そこに差し込まれた回路部品が最適化されます。  

オプティマイザは、次のような回路部品の最適値を決定することができます：

• 固定抵抗器、コンデンサ、インダクタ

• 理想的な抵抗器、コンデンサ、インダクタ

• ユーザー定義の等価直列抵抗によるリアルなコンデンサ、インダクタ

• パッシブ・チューナブル集積回路（PTICまたはチューナー）

各コンポーネントは、部品サプライヤーから入手可能な部品を表す、離散的な値の範囲を取ることができます。

寄生虫とEM効果を考慮する

高周波や高性能の回路やアンテナシステムの設計では、電磁界シミュレーションを活用して、性能に影響を与え制限する複雑で無数の電磁結合メカニズム、伝送線路効果、グランドリターン電流経路を確認することができます。 XFでは、回路素子を回路やアンテナシステムのレイアウトの最終的な位置に配置したまま、回路部品の最適化を行うことができます。 このようなカップリングや伝送線路の効果が失われる理想化回路図に回路部品を移動する必要はありません。 XFの回路素子オプティマイザは、利用可能なすべての電磁気学的情報を使用して、最適なマッチングを導き出します。 この機能は、携帯電話端末のような複雑で高性能なアプリケーションで特に人気があり、XFの最適化では、携帯電話ユーザーの頭や手がアンテナ性能に与える影響まで考慮することができます。  

回路要素最適化による設計ワークフロー

このプロセスは通常、アンテナ構造の設計とEMシミュレーションから始まる。 EMシミュレー ションからアンテナを覗く複素インピーダンスが決まれば、整合ネットワークのトポロジーを選択し、候補となるコンポーネントの値を割り当てることができる。 次に、相互接続、ビア、パッドのすべての詳細を含めて、整合回路を設計にレイアウトします。 これは、アンテナに給電するPCBである場合もあれば、アンテナ・ベースや他の近傍の構造に取り付けられた回路部品で構成される場合もあります。 マッチング構造と回路素子の位置が定義された後、Circuit Element Optimizerを使用してシステムの特性を評価し、最適なコンポーネント値を選択します。 ユーザーが定義した目標と各コンポーネントの許容値を使用して、Circuit Element Optimizerは目標に最も適合するコンポーネント値を決定します。 検証として、選択したコンポーネントを最終的な全波FDTDシミュレーションにプラグインするか、物理的なプロトタイプを作成してラボでテストすることができます。