SPOTLIGHT ON ELECTRONICS AND …/media/ansys/ja-jp/pdf/...力学（CFD：Computational Fluid Dynamics）ソフトウェアを使用しています．クリーンな内燃機関技術で改良を行うには，燃料と気体の混合，点火，お

EMC（電磁両立性）の保証

交差する信号

ANSYS Discovery Live

Excellence in Engineering Simulation

ISSUE 3 | 2017

SPOTLIGHT ONELECTRONICS ANDELECTROMAGNETIC SIMULATION

特集：エレクトロニクス / 電磁界シミュレーション

表紙についてANSYS Advantage誌の本号では，設計イノベーションの推進に貢献するエレクトロニクス/電磁界シミュレーションのいくつかの目覚ましい進歩を紹介しています．

Credit: RUSSELL KIGHTLEY/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Table ofContentsSpotlight on Electronics and Electromagnetic Simulation

18安全保障および防衛

ミリ波によるボディスキャナーの

電磁界シミュレーション次世代の空港用ミリ波フルボディスキャナーの開発に取り組んでいる研究者は，シミュレーションを利用して，設計探索にかかる時間を短縮しました．

21RF と無線

複雑な無線環境で高いアンテナ性能を実現

干渉が発生する可能性のある場所を開発サイクルの早期に特定すれば，開発サイクル後期での問題の手直しにかかるコストを削減しリスクの低減を図ることができます．

4ベストプラクティス

エレクトロニクスでイノベーションを推進

大手エレクトロニクス企業は，エンジニアリングシミュレーションを利用して，エネルギー消費量の削減，他の機器との干渉回避，および開発期間の短縮を実現しています．

10EMI/EMC

EMC（電磁両立性）の保証STMicroelectronics 社は，フルウェーブ周波数領域を回路シミュレーションと組み合わせることで，試作品の作成前に電磁妨害 / 電磁両立性および電磁共存性の問題を判定しました．

14高速エレクトロニクス

高速インターコネクトの詳細なチャネル解析

エンジニアは，シミュレーションを利用して，信号チャネル全体を対象とする次世代の高性能インターコネクトソリューションを設計し，最適化しています．

24シグナル

交差する信号エンジニアは，高速プリント基板のシグナルインテグリティ解析にかかる時間を短縮しました．

27シグナルインテグリティ

ビアに発生するクロストークを低減

メモリ基板の BGA ビアに予期しないクロストークが発生した際，エンジニアはシミュレーションを利用して，この問題に取り組みました．

30RF とワイヤレス

最適なアンテナ設計への取り組み

Optisys 社は，エンジニアリングシミュレーション，大規模計算，および 3D プリンティングを使用して，アンテナのサイズと重量を数桁分減らすことに成功し，開発期間も短縮しました．

2 ANSYS ADVANTAGE ISSUE 3 | 2017

ACT, AIM, Aqwa, Autodyn, BladeModeler, CFD, CFD Enterprise, CFD Flo, CFD Premium, CFX, Chemkin-Pro, Cloud Gateway, Customization Suite, DesignerRF, DesignerSI, DesignModeler, DesignSpace, DesignXplorer, Discovery Live, EKM, Electronics Desktop, Elastic Licensing, Enterprise Cloud, Engineering Knowledge Manager, EnSight, Explicit STR, Fatigue, FENSAP-ICE, FENSAP-ICE-TURBO, Fluent, Forte, Full-Wave SPICE, HFSS, High Performance Computing, HPC, HPC Parametric Pack, Icepak, Maxwell, Mechanical, Mechanical Enterprise, Mechanical Premium, Mechanical Pro, Meshing, Multiphysics, Nexxim, Optimetrics, OptiSLang, ParICs, Path FX, Pervasive Engineering Simulation, PExprt, Polyflow, Professional, Professional NLS, Professional NLT, Q3D Extractor, RedHawk, RedHawk-SC, RedHawk-CTA, Rigid Body Dynamics, RMxprt, SCADE Architect, SCADE Display, SCADE LifeCycle, SCADE Suite, SCADE Test, SeaHawk, SeaScape, SIwave, Simplorer, SpaceClaim, SpaceClaim Direct Modeler, Structural, TGrid, TPA, TurboGrid, Workbench, Vista TF, Designer, PathFinder, PowerArtist, Realize Your Product Promise, Sentinel, Simulation-Driven Product Development, Solver on Demand, Totem

ICEM CFD is a trademark licensed by ANSYS, Inc. LS-DYNA is a registered trademark of Livermore Software Technology Corporation. nCode DesignLife is a trademark of HBM nCode. All other brand, product, service, and feature names or trademarks are the property of their respective owners.

Realize Your Product Promise® ロケットの打ち上げをご覧になったことが無い方でも，飛行機で空の旅，車でドライブ，PC を使ったり，モバイルデバイスの画面にタッチしたり，橋を渡ったり，あるいはウェアラブルデバイスを身に付けた経験はあるかと思います．それらの製品は，ANSYS のソフトウェアを使って生み出されたものかもしれません．

ANSYS は，工学シミュレーションの世界的リーディングカンパニーとして，先進的企業による画期的な新製品の開発に貢献しています．工学シミュレーションの多岐にわたる分野を幅広くカバーする，最高水準の機能を備えたソフトウェアの提供を通じ，ANSYS は，お客様が極めて困難な課題を解決し，製品設計の可能性を想像力の限界まで押し広げることができるよう支援しています．

アンシス・ジャパン株式会社本　　　社：〒 160-0023 東京都新宿区西新宿6-10-1 日土地西新宿ビル18F TEL.03-5324-7301 FAX.03-5324-7302中部オフィス：〒 460-0003 愛知県名古屋市中区錦 1-4-6 三井生命名古屋ビル10F TEL.052-218-3090 FAX.052-218-3091

西日本オフィス：〒 531-0072 大阪府大阪市北区豊崎 3-19-3 ピアスタワー 18F TEL.06-6359-7371 FAX.06-6359-7372

46電化

電動モータのエンジニアリング

ハイブリッド・電気自動車に最適なカスタムエンジンを開発するには，複数の電子・機械部品を統合してシステムとして設計し，テストする必要があります．

Departments

50ソリューション

ANSYS Discovery Live：革新的なリアルタイム

シミュレーションANSYS Discovery Live を導入すれば，数時間または数日かかっていたシミュレーションを瞬時に行うことができます．

34RF とワイヤレス

アンテナを機体表面に組み込む試み

エンジニアは，燃料を節約できる，航空機への新しいアンテナ取り付け方法を開発しています．

Simulation@Work

38自動車

Fue 燃料噴射：液滴分裂プロセス

再現への試みDelphi 社のエンジニアは，エンジン性能を最適化する噴霧パターンで液滴を送り出す燃料噴射器のノズルを設計しています．

42航空宇宙・防衛

D 宇宙船用燃料のスロッシングを低減

Airbus 社のエンジニアは，燃料のスロッシングを低減して，姿勢制御仕様を最小限のコストと重量ペナルティで満たさなければなりません．

54ソリューション

有意義な結果の生成あるアスファルト企業では，ANSYS En Sight を使用し，様々なシミュレーションソフトウェアと各設計案から得られた結果を統合することで，シミュレーションデータを解釈しています．

57ベストプラクティス

プリント基板上のビアを調査

シグナルインテグリティエンジニアは，シミュレーションを利用することで，周波数領域・時間領域の性能が設計要件を満たすかどうかを検証できます．

シミュレーションについて，はなそう．ansys.com/Social@ANSYS

© 2017 ANSYS, INC. ANSYS ADVANTAGE 3 ANSYS ADVANTAGE 3© 2017 ANSYS, INC.

ベストプラクティス

DRIVING INNOVATION WITH ELECTRONICS

エレクトロニクスは，現在世界中で広く活用

されています．電気機械から高速電子機器，

アンテナ，ワイヤレス通信まで，需要は高まり

続けています．しかし，エネルギー消費量の削減，

他の機器との干渉回避，および開発期間の短縮が要求されるため，

実環境で確実に動作する革新的な製品を設計することはますます

困難になっています．最前線の企業は，エンジニアリング

シミュレーションを活用して，期待に応え，期待を超える，先駆的な

製品を短期間で市場に投入しています．

Mark Ravenstahl（ANSYS，エレクトロニクス事業部戦略パートナーシップおよびビジネス開発担当テクニカルディレクター）

エレクトロニクスでイノベーションを推進


エンジニアは，高精度なシミュレーションを使用することによって，設計の詳細な性能を予測し，革新的な製品を送り出すことができます．ANSYS は，統合プラットフォーム，クラス最高のシングルフィジックスと包括的なマルチフィジックスなどの強力なイノベーションによってコンピュータシミュレーションの可能性の枠を押し広げることで，最先端の製品投入をサポートします．電気機械，高速エレクトロニクス，および RF/ ワイヤレス通信を対象とする ANSYS の最新の電磁界ソフトウェアのイノベーションは，エンジニアがスケジュールに従って機能性と信頼性の目標を達成できるよう支援しています．

電気機械の設計EABB 社の調査によれば，世界の工業電力消費量の 3

分の 2 は電動モータによるものであり，これは世界の総電気消費量の 28% に相当します．[1] 世界で消費される電気エネルギーが年間 24,000TWH であることを考えると，これは膨大な量のエネルギーです．[2] モータ効率を 1% 高めるだけで，9,000 ガロンの燃料を積んだガソリンタンクローリー 8,100 万台分の節約が実現します．これだけの台数の 18 輪トラックを数珠繋ぎにすると，地球半周分の長さになります．これだけのエネルギーの節約に研究する価値があることは明らかです．ANSYS シミュレーションソフトウェアは，電気機械設計者が設計を最適化してエネルギー効率を高めるのに役立ちます．

高性能エレクトロニクスは，あらゆる業界の卓越したイノベーションを

推進しています．先進運転支援システム（ADAS：Advanced Driver

Assistance System），モノのインターネット（IoT：

Internet of Things），5G 通信，ハイブリッド

ドライブなどの先駆的な発明を利用した製品を，最前線の

企業が設計，最適化し，短期間で市場に送り出すには，高度な電磁界シミュレーションが必要です．

無線周波数（RF）／ワイヤレス通信コンポーネントは，より小さいサイズのフットプリントに合わせる

ためにコンパクトなパッケージに統合されるため，エンジニアは電力効率を改善する一方でシステムの

高密度化の影響を評価する必要があります．車，飛行機，および船を電化するために，電気機械やエレクトロ

ニクスなどの工業部品は，新しい思考や設計の方法を活用して，従来の限界を超えることを要求されてい

ます．

ANSYS のイノベーション：包括的なマルチフィジックスワークフロー

ANSYS Maxwell はモータ効率を高めるために，線形の並進運動と回転運動により生じる誘導効果，高度なヒステリシス解析，永久磁石の消磁，および他の重要な電磁機械パラメータを考慮した，機械の厳密な性能計算を実行します．Maxwell は，ANSYS Workbench プラットフォームを介して，ANSYS Mechanical，ANSYS Fluent，または ANSYS Icepak と同じ形状データを共有し，さらにそれらのソフトウェアと連成することで，応力解析，熱解析，CFD 解析，および音響解析を実行します．電気機械の効率に影響を与えるあらゆる要因を詳細に解析するには，これらのマルチフィジックス機能が必要です．たとえば，Maxwell で計算した損失を CFD の入力として使用して，温度分布を計算し，冷却方針を評価します．

< WEG社の電気機械は仮想設計が現実のイノベーションにつながる方法を示している． WEG社はANSYSのシミュレーションを使用して，最高クラスのエネルギー効率，極低ノイズ，ベアリング寿命10万時間以上を実現した．

マルチフィジックスシミュレーションを利用してロバストな電気機械を設計（英語）ansys.com/electric-machine

© 2017 ANSYS, INC. ANSYS ADVANTAGE 5

Maxwell で計算した電磁気力とトルクを ANSYS Mechanical の入力とすることによって，変形を解析し，さらに潜在的な振動を評価できます．このようなマルチフィジックス解析の奥深さは他に類を見ないものであり，電力消費量を大幅に削減する機械設計につなげることができます．

ANSYS のイノベーション：ハイパフォーマンスコンピューティング

エンジニアリングシミュレーションの分野で最も重要

な進歩の 1 つが，ハイパフォーマンスコンピューティング（HPC：High-Performance Computing）です．企業は現在，数十，数百，または数千の計算ノードを稼働させて，より多くのより大規模なモデルをより速く，より

忠実に，シミュレーションしています．

ANSYS が提供する革新的な数値ソルバーと HPC

手法は，単一マルチコアマシン向けに最適化されているの

みならず，クラスターの能力を最大限に活用できるスケーラビリティも備えています．

パラメトリック解析を使用する設計探索は，クラスター全体にスケーリングすることによって，大きく加速されます．モータの寸法，駆動電流，速度，トルク荷重，および他の

シミュレーションパラメータを，多数の設計点で評価して，複数のコアで同時に解析できます．ANSYS Maxwell の新しい時間分割法（TDM：Time Decomposition Method）は，

最新の計算クラスターを活用できます．TDM は，電動モータ，IPM モータ，および電源トランスに必要な完全過渡電磁界シミュレーションを実行するために必要な計算能力と計算速度を実現します．これにより，エンジニアは，すべ

Driving Innovation with Electronics (続き)

端効果磁石の分割

電気機械の3次元効果は，最終製品の性能に大きな影響を与える．

「車，飛行機，および船を電化するために，電気機械や電子機器などのエレクトロニクスは，新しい思考や設計の方法を活用して，

従来の限界を超えることを要求されています．」


ての時間ステップを逐次実行するのではなく並行して，さらにこれらの時間ステップを複数のコア，ネットワーク接続されたコンピュータ，および計算クラスターに分散して，解析できます．TDM により設計段階で完全な 3D シミュレーションを実行できるので，電気機械で一般的に使用される巻き線端効果や磁石の分割などの詳細を数時間で調査し，検討できます．結果として，シミュレーションの能力と速度が大幅に増加したので，エンジニアリング設計チームは開発プロセスの早い時期に，さらに多くのオプションを調査して，電力消費を削減し，他の仕様を満たすことができます．

高速エレクトロニクスエレクトロニクスの自動設計は，IC 設計が露光製造プ

ロセスの機能により制御されていた時代からずっと進化し続けています．レイアウトと設計を一緒に検討できるようになってからは，動作周波数が高くなるにつれ，設計者は高速信号による波形の立ち上がり時間，伝送線路の影響，クロストークなどのシグナルインテグリティの問題に取り組んできました．そのためには，電磁界モデルが必要となります．今日の高密度パッケージ，高速信号処理，および高周波数を扱う場合，最適な性能と信頼性を実現するには，レイアウトツールと電磁界解析を一緒に利用する必要があります．回路とシステムの解析は，今日では，主要ツールというよりも，広義の電磁界アセンブリソリューションの一部となっています．過渡回路解析をレイアウトから直接実行できるので，エレクトロニクスエンジニアは，IC パッケージ，プリント基板，

コネクタ，およびケーブルを使用して仮想的にデジタル電子システムを組み立てることができ，次にそのシステムを解析して適切な技術を利用できます．

ANSYS のイノベーション：アセンブリモデリング， 3D コンポーネント，および自動化

エレクトロニクスエンジニアは，長い間，スケマティックベースで設計して，プリント基板，IC パッケージ，およびコンポーネントを表すモデルを接続してきました．これは比較的単純な設計では有効な方法ですが，設計の規模と複雑さが増すことによって，面倒で間違いが起こりやすくなります．エンジニアが１つでも回路図の接続を忘れただけで，シミュレーションの結果は間違ったものになります．アセンブリモデリング設計の優れた点は，回路図を意識せず，レイアウト上に個々の 3 次元構造のコンポーネントを実装できることです．そのため，エンジニアはレイアウト上で部品を実装するだけで，接続情報がスケマティックに反映され，電気回路シミュレーションを実行できます．このレイアウトベースの環境は，コンポーネントを基板上に配置した瞬間にすべての電気的な接続を作成することによって，3D 電磁界シミュレーション向けのモデルを準備するように設計されています．そのため，形状設定が簡単になり，エンジニアはレイアウトから完全な電気回路シミュレーションを起動できます．

メインプリント基板のレイアウトにエッジコネクタとドーターカードを組み合わせた，ノートPCの統合システムアセンブリの3次元レイアウト

ANSYS HFSS：ANSYS Electronics Desktopのアセンブリモデリング（英語）ansys.com/electronics-desktop

メインプリント基板

電磁界シミュレータのレイアウトとコネクタアセンブリ

ドーターカードとコネクタ

システムアセンブリ

EDAレイアウトODB++

EM ツールレイアウトデータ

ベース


Driving Innovation with Electronics (続き)

RF とワイヤレスアンテナは，ワイヤレス機器が優れた性能を発揮す

るために不可欠であり，IoT や自動運転技術などのイノベーションを生み出すために必須です．今日のワイヤレス環境における電気機器は，さまざまな無線機能や多入力多出力（MIMO：Multiple Input Multiple Output）処理に対応する複数のアンテナを装備し，オフィス，家庭，自動車などの大規模で複雑な電磁界環境で他の電子機器の近くで動作する必要があります．最新のANSYS 製品イノベーションは，業界をリードする企業が，サイズや最終用途を問わず，信頼できるアンテナを設計するのを支援します．

ANSYS のイノベーション：アンテナ合成および設置後のアンテナ性能

ANSYS HFSS 高周波電磁界ソフトウェアは，アンテナ設計の合成，設定，および解析を合理化します．アンテナの専門知識を持たないエンジニアを含む，あらゆるエンジニアが，アンテナの設計を作成し，統合を最適化できるようになります．HFSS の強力な SBR（Shooting and Bouncing Ray）電磁界ソルバーオプションである ANSYS HFSS SBR+ は，電気的

に大規模なプラットフォームに取り付けられたアンテナの設置後の性能を解析できます．HFSS で個別に作成されたアンテナ設計は，電気的に大規模なプラットフォームにデジタル的に配置して，HFSS SBR+ を使用してアレイとして短時間で解析できます．この強力な組み合わ

せを使用して，設置後の性能とアンテナ配置の最適化を解析できます．

ANSYS のイノベーション：RF 相互干渉シミュレーション

ワイヤレス機器の数が増加する一方で，それらが動作するスペクトルは変わらないため，通信システムが相互に干渉して，隣接するシステムの性能低下を引き起こす可能性が高くなっています．ANSYS RF Option には，複数の無線送受信機の RF 相互干渉と EMI 干渉を予測するソフトウェアとして業界をリードする ANSYS EMIT が組み込まれています．

プラットフォームとアンテナのカップリング情報は，HFSS から強力なリンクを経由して EMIT に自動転送されます．設計者は，EMIT に用意されている RF 回路要素のライブラリとビヘイビア

ANSYS HFSSによるスマートフォンのシミュレーション．左はアンテナとコンポーネント間におけるカップリングの周波数依存性，右はスマートフォンの形状．HFSSは広帯域におけるアンテナの特性および基板上の信号線どうしのカップリングをシミュレーションできる．

Maxwellの時間分割法により過渡電磁界シミュレーションを高速化（英語）ansys.com/time-decomposition


モデルを使用して，実際の動作条件下における性能をモデル化する RF システムを短時間で構成できます．この中には，他の無線からの干渉や電話の回路からの意図しない放射が含まれます．この ANSYS EMIT には，相互変調積などの複雑な問題を診断するツールが用意されています．

相互作用図にすべての干渉の正確な経路が表示されるので，問題の原因の特定に役立ちます．原因を特定した後は，緩和策をシミュレーションしてその効果を測定し，最終的にはシナリオマトリックスで示される干渉のない設計を実現できます．

将来のイノベーション将来の電子機器製品のイノベーションは，広範囲にわ

たるものとなり，幅広い業界におよぶでしょう．このようなイノベーションを実現するには，エンジニアが，必要な物理条件とシステム効果をすべて考慮して，電気製品や電子機器製品を丸ごとシミュレーションおよび設計することが可能なプラットフォームが必要です．これには，複雑な集積回路の詳細や，さらには自動車のような

製品全体が含まれる可能性があります．

シミュレーションは，かつては専門家だけの領域であり，主に検証のために使われていましたが，高度な自動化機能により，製品開発チームは開発プロセスの最初により多くのシミュレーションを実行して，設計変更を短

時間で評価できるようになりました．ANSYS の電磁界製品は，モータ，回路基板，または

アンテナの特性をシミュレーションするだけでなく，他のアレイからの干渉も考慮した実性能を測定できるようにそれらを動作環境にデジタル的に配置します．ANSYSは，イノベーションを主導する製品を提供します．

References[1] ABB, High-efficiency motors: “Haze Killers,”

August 2017. abb.com

[2] Enerdata, Global Energy Statistical Yearbook 2017, August 2017. yearbook.enerdata.net

ANSYS EMITは，複雑なRF環境におけるシステム性能を評価できる，他に類を見ないRF干渉ツールである．この図に示すEMITデスクトップには，HFSSモデル，無線回路，および独自のシナリオマトリックス（右上）が表示されている．シナリオマトリックスの中の赤い正方形は解決する必要があるさまざまなRFIの問題を示し，緑の正方形は問題がないことを示している．

「ANSYS RF Option には，複数の無線送受信機の RF 相互干渉と EMI 干渉を予測するソフトウェアとして業界を

リードする ANSYS EMIT が組み込まれています．」


EMI/EMC

STMicroelectronics 社は，フルウェーブ周波数領域を回路シミュレーションと組み合わせることで，

試作品の作成前に電磁妨害 / 電磁両立性および電磁共存性の問題を判定するワークフローを開発しました．

この新しい手法は，製品発売が最大 4 か月（開発期間の 20%）の遅れが生じる可能性があった問題を，

設計プロセスの早い段階で特定して修正することが証明されています．

Xavier Lecoq氏（フランスグルノーブル，STMicroelectronics社，アナログデザイナー），Damien Rousseau氏（フランスグルノーブル，STMicroelectronics社，インターン）

ワイヤレス（Wi Fi，Bluetooth，ZigBee など）およびワイヤードの通信チャネルの飛躍的な増加に，データレートの高速化とパッケージの高密度化が重なって，共存するインターフェース間の干渉を避けるために策定された電磁妨害（EMI：Electromagnetic Interference）/ 電磁両立性（EMC：Electromagnetic Compatibility）に関する規格への準拠を実現するための課題が大幅に増加しています．従来の方法では，これらの問題は，電磁界シミュレーションを使用して，問題を起こすことが予想される個々の機能の S パラメータモデルを抽出し，設計プロセス中に解決します．S パラメータモデルは通常は一般的な信号により励起されるものなので，この手法では精度には限界があります．したがって，フルウェーブシミュレーションにより予測される電磁放射は実際の回路とは大幅に異なる可能性があります．

新しいシミュレーション方法論の検証に使用するセットトップボックス

EnsurIng ElectromagnetIc CompatIbIlIty

EMC（電磁両立性）の保証


自律走行車やモノのインターネット向けに革新的な半導体ソリューションを提供するグローバルな半導体会社である STMicroelectronics 社のエンジニアは，ANSYS HFSS 3 次元有限要素モデルの電磁界ソルバーに基づくワークフローを使用して，構造をモデリングし，周波数領域で電磁界を計算することによって，この課題に取り組んでいます．生成される S パラメータモデルは，ANSYS Electronics Desktop 環境を利用して回路モデルに組み込まれます．HFSS と回路との協調解析では，HFSS のモデルで励振をリアルに再現して，実際の回路の電磁放射を正確に予測します．この手法で生成されるシミュレーション結果は，実測値と良く相関するため，自信を持って EMI と共存性の問題を特定し，考えられる改善策を評価するために使用できます．ANSYS ツールは，EMI/EMC に対応した確実な製品を短期間で提供することを可能にします．

EMI/EMC 準拠の保証最新のエレクトロニクス設計のさまざまな側面の中

で，携帯電話，セットトップボックス，ウエアラブルデバイスなど，今日の最先端のエレクトロニクス製品に見られる多数のデジタルインターフェースが正常に共存することを保証することほど難しいことはありません．課題は，システム全体に含まれる個々のインターフェースが，単独で動作する場合と同じレベルの性能を提供することを保証することです．現在のシミュレーション方法は，DDR SDRAM が USB 3.1 と干渉するかどうかの判定など，個々の相互作用に対処します．しかし，今日の最先端の製品には多数のさまざまな機能が搭載されているので，どの機能が有害な相互作用を示す可能性があるのかを前もって知ることはほとんど不可能です．これらの問題は試験中に検出されることが非常に多く，その場合は再設計が必要になります．そして問題の改善は試行錯誤手法で行われるので，製品の発売が遅れることにつながります．

ハイパフォーマンスデジタル，混合信号，およびRFワイヤレス製品のEMI/EMCおよび共存性のシミュレーション（英語）ansys.com/EMI-EMC

「改良された電磁界シミュレーション手法と大規模な HPC のおかげで，エンジニアはフルウェーブの精度で

プリント基板全体をシミュレーションできます．」

フルウェーブモデルを現実的に励起するためのシミュレーションワークフロー

通信チャネルのフルウェーブモデル

ダイパッケージ

直列抵抗プリント基板

ESD 保護SM コネクタ

ANSYS DesktopANSYS HFSS

HFSS S パラメータのダイナミックモデル

周波数スペクトル

ANSYS回路解析

データベースのインポートと設定

試験ベンチの設定

過渡シミュレーションと

相関

広帯域 Sパラメータのモデリング

EMI のモデリング


Ensuring Electromagnetic Compatibility (続き)

フルウェーブモデルに対する現実に近い励振入力

改良された電磁界シミュレーション手法と大規模なハイパフォーマンスコンピューティング（HPC）を組み合わせて，フルウェーブの精度で PCB 全体をシミュレーションできるようになりました．STMicroelectronics社のエンジニアが開発したこの手法は，現実的な励振パターンでフルウェーブモデルを使用して非定常シミュレーションを実行することによって，さらに一歩前進しています．回路シミュレーションの結果は，フルウェー

ブモデルにバックアノテートされて，現実的な電磁場を再現します．この手法は，セットトップボックスの既存の高速デジタル伝送チャネル上で検証され，シミュレーション空間で潜在的な EMI/EMC 緩和法を評価するために使用されました．

HFSS S パラメータモデルは，SPICE に似たモデルに変換して，HFSS と回路の環境内でリンクしました．適切なボックスタイプと構造周りのサイズ，ポートタイプ，広帯域 S パラメータをモデリングするための周波数スイープ，メッシュ設定，および収束基準を定義することにより，HFSS モデルを管理しやすいサイズに維持しました．現実的なユースケースを再現するために，ドライバーで疑似ランダムビットシーケンス（PRBS：

Pseudo-Random Bit Sequence）を使用して IBIS 形式でポート励振を設定しました．非定常シミュレーションにより，時間領域で実測値と非常に良い相関のあるアイダイアグラムと磁界を生成しました．次のステップでは，このケースで電場を支配する磁場に注目しながら，励振を HFSS に戻して電磁場を再計算しました．

潜在的な緩和法の評価STMicroelectronics 社のエンジニアは，EMI/EMC リスクを緩和する機能的および物

理的なレイアウト手法の使用について調査しました．ユニットインターフェース（UI：Unit Interface）のスルーレートを 5% から 8% に増やしたところ，クロック周波数スペクトルが平均して 3dB 緩和され，放射される磁場が減少しました．エンジニアはさらにスペクトラム拡散クロック（SSC：Spread Spectrum Clock）法を導入して，EMI を

ANSYS HFSS：ANSYS Electronics Desktopのレイアウト主導のアセンブリ（英語）ansys.com/layout-driven

「ANSYS ツールは，EMI/EMC 準拠のロバストな製品を短期間で提供することを可能にします．」

デフォルト設計，シールドあり，埋め込みルーティングの平均磁界

デフォルトシールドあり配線を内挿したプリント基板


第三高調波で最大 10dB，第五高調波で最大 15dB 削減しました．さまざまな高調波でさまざまな位置にコモンモードフィルターを配置する影響を評価しました．その結果，この設計では，フィルターが信号源に近い位置に配置される場合，ここではシステムオンチップ（SoC：System-on-Chip）の場合に，STMicroelectronics 社製 ECMF04-4HSWM10 を使用するコモンモードフィルターの効率が良いことが示されました．EMI 放射は，クロックの偶数次高調波で最大 25dB 削減されました．エンジニアは，10mm × 0.6mm の開口部を持つ 1mm 銅シールドの影響も評価しました．平均磁界のゲインは，シールド共振周波数の 2.4GHz から2.5GHz の範囲では約 6dB だけでしたが，それ以外は 15dB から 20dBに増加しました．一方，配線を内挿したプリント基板における磁界のゲインは，ルーティング共振周波数以外は，5dB から 15dB に増加しました．ルーティング共振周波数では放射ゲインは約 0.66dB だけでした．

高速デジタル通信技術の統合が進むにつれて，EMI/EMC 規格への準拠と電磁共存性を実現することがますます困難になっています．多くの新製品は，規格への準拠を保証するために，試作段階で再設計する必要があります．これにより，エンジニアリングと試作品作成のコストが増加し，新製品投入が遅れて，それに伴う収益の損失が発生します．STMicroelectronics 社が開発した新しい手法を使用すると，現実に近い励振によってフルウェーブの電磁界シミュレーションを実行できます．非常に高精度な結果が得られるので，自信を持って EMI/EMC と共存性の問題を特定し，試作品を入手できるずっと前に広い範囲の改善策の相対的有効性を評価する方法を提供します．開発リスクを大きく抑制し，設計サイクルを大幅に短縮することで，コストを最適化した EMC 準拠の新製品を市場に投入し，利益を上げることができます．

ReferenceECMF components bySTMicroelectronics www.st.com/ecmf

シグナルインテグリティシミュレーションを裏返す（英語）ansys.com/signal-integrity

「開発リスクを大きく抑制し，設計サイクルを大幅に短縮することで，

コストを最適化した EMC 準拠の新製品を市場に投入し，利益を上げることができます．」

3つの異なる位置にコモンモードフィルターを適用したクロックのアイダイアグラム

オプション 1

クリーンなアイダイアグラム

オプション 2

マージンが影響を受けている

オプション 3

良好なアイダイアグラム


Deep Channel Analysis for High-Speed Intercon-

nect Solutionsデータセンターのサーバー，ストレージ，およびネットワーキングの各機器は，

高速コネクタで結合された銅 / 光ケーブルアセンブリ経由で通信します．

Samtec 社は，ANSYS の包括的な一連のシミュレーションソフトウェアを利用して，

信号チャネル全体を対象とする次世代の高性能インターコネクトソリューションを設計し，

最適化しています．

Scott McMorrow氏（米国ニューアルバニー， Samtec社，シグナルインテグリティグループCTO），

Burns氏（米国ニューアルバニー， Samtec社，製品マーケティングマネージャ）

高速エレクトロニクス

高速インターコネクトの詳細なチャネル解析


「データ．データ．データ．」消費者は，どこにいようが何時だろうがおかまいなしに，個人データや仕事のデータにリアルタイムにアクセスすることを望んでいます．21 世紀の消費者や労働者は場所に束縛されないので，モバイルデータが求められます．2016 年の終わりには，世界のモバイルデータトラフィックは，月当たり 7.2エクサバイト（1 エクサバイトは 10 億ギガバイト）に達しました．この数字は，2021 年には，月当たり 49エクサバイトを超えるとみられています．[1]

セルラーネットワークや固定ネットワークを経由して（Wi-Fi やフェムトセルと呼ばれる低電力セルラー基地局を経由して）簡単にアクセスできるモバイルデータに対する需要から，データセンターやバックボーンネットワークに対する要求は強まるばかりです．データセンターのサーバー，ストレージ，通信，およびネットワーキングの各機器は，高速化するデータレートをサポートするために常にアップグレードされています．

データセンター機器の OEM は，需要に応じる必要があります．現世代のソリューションがサポートするデー

タレートは，通常は 10 ～ 15Gbps です．次世代のソリューションは，28Gbps/56Gbps 以上で動作します．システム全体で高速信号を伝送するには，多くの設計上の課題があります．従来の設計上の決定はコンポーネントレベルで行われましたが，28Gbps システムを設計するには，パッケージ，プリント基板，および相互接続ソリューション

を経由する IC から IC までのチャネル全体を詳細に解析する必要があります．電子相互接続業界のサービスリーダーであり，IC から基板，さらにはその先までのフルチャネルシステムサポートを提供する Samtec 社は，どのようにして高速チャネル全体に対する詳細な解析をサポートしているのでしょうか．

高速信号チャネルの設計次世代のマルチ Gbps 設計には，信号チャネルパスに対

して全体論的手法を使用する必要があります．開発者は 1つのコンポーネントだけに集中するわけにはいきません．チャネル全体にわたるすべてのコンポーネントの相互作用を分析して最適化する必要があります．

チャネル内の各コンポーネントに，パスをはさんで他の

「ANSYS HFSS の最新式 3D フルウェーブソルバーの柔軟性により，Samtec 社はサブコンポーネントや

システムモデリングをターゲットにすることができます．エンジニアは，顧客システムをシミュレーションするために

大規模なコネクタのモデリングやパッケージの広範囲にわたる抽出を行い，

潜在的な問題を検出するための詳細な解析を実行できます．」


Deep Channel Analysis (続き)

コンポーネントの性能に影響を与える設計変数があります．インサーションロス，リターンロス，クロストーク，インピーダンスなどのコネクタ変数は，考慮する必要があります．プリント基板の設計上の決定項目には，配置，ルーティング，材料 / 積層板の選択，配線長，インピーダンス整合などがあり，これらはすべて高速シリアルチャネルの性能を強化するか，または性能に悪影響を及ぼす可能性があります．コネクタから PCB 配線のブレークアウト領域（BOR：Breakout Region）は，見過ごされがちですが，設計を壊す可能性があります．

高速チャネルを設計して最適化するには，2 つの基本ステップを実行する必要があります．まず，エンジニアはチャネル内の個々のコンポーネントをモデリングする必要があります．チャネルモデルは，これらのコンポーネントモデルを連結した完成システムから作成します．これで，28Gbps 以上のデータレートでシステムモデルをシミュレーション，モデリング，解析，および試験できます．

複雑な 3D コンポーネントのモデリング Modeling Complex 3-D Components

チャネルのコンポーネント，特にコネクタとケーブルアセンブリは，複雑な 3D 機械構造であり，通常は業界標準の MCAD ツールで機械的にモデリングします．Samtec 社のエンジニアは，機械モデルを ANSYS HFSS ツールに移植して，高周波電磁場で 3D 構造を分析および最適化します．

HFSS の最新式 3D フルウェーブソルバーの柔軟性により，Samtec 社はサブコンポーネントモデリングもターゲットにすることができます．PCB 配線，ケーブル，高周波構造物，およびプリント基板，パッケージ，およびマルチチップモジュール（MCM：Multichip Module）の間の複雑な遷移の 3D 構造モデリングは，チャネル最適化機能を拡張します．

ANSYS HFSS の精度により，チャネル最適化の改善も

可能になります．高精度なソルバーは，製造許容値を大きく下回るエラーレベルに到達できるので，仮想的に試作品を作成できます．Samtec社は，HFSSの精度にハイパフォーマンスコンピューティング（HPC：High-Performance Computing）の速度と容量を組み合わせることで，最大70GHz の周波数での測定値に対する相関を予測できます．Samtec 社は，システム入力に応じて，配置，配線タイプ，製造ばらつき，および他の要因を通じてコネクタ BOR などのチャネル変数を微調整して，チャネル全体にわたる正確な解析とシミュレーションを実行できます．さらに，HFSS 3-D Layout におけるハイブリッド平面 /3 次元設計のための HFSS ソルバー技術の進歩により，Samtec社のエンジニアはコンポーネントとプリント基板の間の複雑な相互作用を表す試作品を短期間で作成できます．これによって，解析にかかる時間が数週間から数日間に，あるいは数日間から数時間に，短縮されます．

IC パッケージとプリント基板の最適化信号チャネルを最適化するには，チャネルに存在する大

型の IC パッケージとプリント基板を最適化する必要があります．これらのコンポーネントにも，固有の設計上の課題があります．大きな構造を最適化するには，システムをより大局的に見る必要があります．また，エンジニアは，高周波電磁界のシミュレーションと解析に加えて，ICパッケージとプリント基板のパワーインテグリティ，シグナルインテグリティ，クロストーク，および EMI 解析も考慮する必要があります．

Samtec 社は，ANSYS SIwave を使用して大型の平面プリント基板と

送信機

受信機

送信機受信機

マザーボードコンポーネントボード

PCBフットプリントを含む送信機

パッケージモデル

PCBフットプリントを含む受信機

パッケージモデル

PCB配線

PCB配線

コネクタBOR

コネクタBOR

コネクタ

単純な標準の28Gbps高速チャネルを象徴するコンポーネント

MCAD 3-DによるSamtec MEC5-DVのコネクタとケーブルアセンブリのレンダリング

HFSS 3Dコンポーネント（英語）ansys.com/HFSS-3D


IC パッケージの高速チャネルと電力供給網（PDN：Power Delivery Network）全体をモデリングおよび解析しています．Samtec 社はSIwave を使用して，内部コネクタ試験ボード内および顧客固有のアプリケーション内で仮想的に電流経路の設計，電流集中の解消，および IR電圧降下の最小化を実行できます．また，共振，反射，インタートレースカップリング，同時スイッチングノイズ，パワー / グラウンドバウンスと DC 電圧 / 電流分布，およびコネクタブレークアウト領域，パッケージ，およびプリント基板の近傍場 / 遠方場の放射パターンもモデリングできます．Samtec 社が「ディープモデリング技術」と呼ぶ技術により，SIwave は数百または数千のポートで S パラメータを使用して，バスとパッケージ全体を数時間でモデリングします．これにより，Samtec 社の設計者および顧客は，憶測ではなく，重要なシグナルインテグリティ / パワーインテグリティの問題を特定できます．5 年前には解決できなかった問題も，今なら HPC 環境で動作する SIwave を使用してすぐに解決できます．

チャネル全体の回路シミュレーションANSYS HFSS と SIwave を使用してチャネルをモデ

リングして，電磁界の特性を定義した後，残りのステップではチャネル全体の回路シミュレーションを実行します．Samtec 社は，ANSYS Nexxim の時間領域回路シミュレーションを使用して，高速インターコネクトのフルチャネルシミュレーションを実行します．

業界標準の IBIS-AMI のドライバーとレシーバーは，チャネル信号パスをはさんで，信号の送信機と受信機として動作します．Nexxim 回路シミュレータを IBIS-AMI と組み合わせることで，業界をリードする高速通信チャネル設計ソリューションが実現します．ANSYS Nexxim 回路ソルバーは，IBIS-AMI モデルとチャネル性能モデルを組み合わせて使用でき，SerDes 回路解析およびタイミング解析を実行できます．このアプローチは，Semtec 社の設計チームに時間領域の仮想コンプライアンス環境を提供します．

ANSYS High-Performance Computing のオプション複数のコンポーネントにわたる高速チャネル信号パス

全体をシミュレーション，解析，および最適化するのは，

非常に時間がかかります．Samtec 社は，ANSYS ツールの HPC 機能を使用して，問題のサイズと複雑さを増やしつつ，解決にかかる時間をできる限り短縮します．エンジニアは，製品の性能を高めると同時に，設計サイクル全体を短縮できます．

Samtec 社は，一連の ANSYS ツールから HPC 機能をフルに利用するのに適した IT インフラストラクチャーを開発しました．より大規模，より高速，より高精度なシミュレーションを実行するには，ANSYS ツールの HPC 機能を利用する必要があります．多くの会社と同様，Samtec 社は，マルチコアサーバーと複数のスケーラブルな計算クラ

スターを使用して，多数の拠点にエンジニアリングとシグナルインテグリティのためのリソースを配置して，世界各地でANSYSツールのHPC機能を最大限に活用しています．

ANSYS HFSS と SIwave のアプリケーションのために，Samtec 社は，高度に並列化されたクラスターを利用して HFSS を実行することによって，10 ～ 100 倍のフルウェーブ解析速度を実現しています．エンジニアは，顧客システムをシミュレーションするために大規模なコネクタのモデリングや，数千ものポートを備えたパッケージの広範囲にわたる抽出を行い，潜在的な問題を検出するための詳細な解析を実行できます．

結論Samtec 社の 28Gbps（以上）チャネルの SI 機能と

ANSYS ツールを組み合わせることによって，データセンター機器 OEM にディープチャネル解析向けプラットフォームが提供されます．現在 112Gbps のコネクタ，パッケージ，および相互接続設計の開発を進めているSamtec 社は，ANSYS の機能を利用して，製品設計サイクルを短縮し，技術業界を性能面でリードする企業向けに次世代製品を提供する能力を強化しています．

Reference[1] Cisco Visual Networking Index:

Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2016–2021 White Paper

「Samtec 社は，ANSYS 製品の機能を利用して製品設計サイクルを短縮し，技術業界を性能面でリードする企業向けに次世代製品を提供する能力を強化しています．」

ANSYS HFSSでモデリングされたSamtec MEC5-DVのコネクタとケーブルのアセンブリ内の電界


安全保障および防衛

Enhanced Detection of Concealed Weapons次世代の空港用ミリ波フルボディスキャナーの開発に取り組んでいるPacific Northwest National Laboratory の研究者は，設計探索にかかる時間を実験ベースの手法よりも短縮するために，電磁システムのシミュレーションモデルを利用しました．これにより，同研究所の研究者は，この技術を改善して隠された武器の検出に有効な高解像度画像を実現するのに必要な要素を簡単に調査することができました．

Mark Jones（米国リッチランド，Pacific Northwest National Laboratory，主任研究員）， David Sheen（米国リッチランド，Pacific Northwest National Laboratory，テクニカルチームリーダー）， Thomas Hall（米国リッチランド，Pacific Northwest National Laboratory，スタッフエンジニア）

ここ 5 ～ 10 年の間に飛行機に乗ったことがある方なら，乗客をスキャンして隠された武器を検出するミリ波イメージングポータルのことをご存知でしょう．円筒形のブースの中に入ると，頭の上方に腕を上げるように求められ，その後，アレイアンテナを設置した柱がブースの周りを回ってスキャンし，隠された武器を検出するのを待つというシナリオは，飛行機に頻繁に乗らない方でも知っているかもしれません．

この技術を 10 年以上前に開発して商用ライセンスを取得したのが，米国パシフィックノースウエスト国立研究所（PNNL：Pacific Northwest National Laboratory）の研究者です．現在，PNNL では，高度な脅威検出を実現する次世代のミリ波イメージングシステムの画質と解像度の最適化に取り組んでいます．同研究所のエンジニアは，ANSYS のソフトウェアを用いてアンテナの性能をシミュレーションしているほか，ANSYS のハイパフォーマンスコンピューティングでリアルな 3 次元画像を利用して設計空間を探索しています．

スキャナーの性能向上を実現アクティブミリ波スキャナーは，電磁波を照射すること

で人体の画像を生成します．この電磁波が人体に害を与えることなく衣類を貫通してから人体に反射し，信号をトランシーバーに送り返すと，このトランシーバーが信号をコンピュータに送ります．スキャナーのアレイアンテナが回転し，様々な位置からの信号がコンピュータによって再構成されると，3 次元ホログラフィー像が形成されます．

PNNL では，隠された武器を検出するミリ波イメージングシステムの機能を向上させる 3 つの方法を調査する研究を行っています．その 3 つとは，最大 2 オクターブ

ミリ波によるボディスキャナーの電磁界シミュレーション

30GHzの帯域幅と60度のビーム幅を使用することで，良好な深さ分解能と被写体照度が得られることが判明した．


の広い周波数帯域幅によって，高い深さ分解能を得る方法，広いアンテナビーム幅によって，横方向分解能を向上させつつ，被写体からの鏡面反射の捕捉を改善し，画像の見栄えを良くする方法，円偏波によって，マルチパス信号伝搬に起因するアーティファクトを低減する方法の 3 つです．

PNNL のエンジニアは，これらの設計パラメータがミリ波イメージングシステムの性能に与える影響を把握するため，ANSYS HFSS SBR+ を用いてモデリングされた仮想スキャナーで取り込まれた画像に様々な帯域幅，ビーム幅，偏波が与える影響をシミュレーションしました．これによって得られたデータセットは，エンジニアが完全な試作品を作製してテストしたり，時間のかかる計測を行ったりすることなく，高度な次世代システムの設計要件のトレードオフを調査するのに役立ちました．

PNNL の研究者が高度なシミュレーションツールを使用する以前は，こうしたイメージングシステムの高度なデジタル設計調査を行うことはできませんでした．その代わりに，このチームは点散乱体や直線移動形スキャナーで収集された計測データによる極めて単純なシミュレーションに頼っていました．同研究所の研究者は，シミュレーションした点散乱体シナリオから情報を入手することはできましたが，スキャンした人体を正確に再現して照度や鮮明さなどの目標を決定できる画像を得ることはできませんでした．

セキュリティスキャナーのシミュレーションこれまで，研究者は，実験室の直線移動形スキャナーと，

反射塗料を塗ったマネキン人形を使用して，物理実験を行っていました．その際には，トランシーバーでマネキン人形を走査してから，画像のフォーカスを数学的に合わせることができるアルゴリズムを採用したソフトウェアパッケージにこの計測データを転送していました．

研究者は，こうした物理システムの必要性を回避するため，ANSYS HFSS SBR+ を使用して，アンテナのシミュレーション，アンテナパターンの定義，スキャン対象となるターゲットのシミュレーションを行うことにしました．これらのシミュレーションは，このアプリケーションに必要とされるリアルで複雑な形状をインポートして，それに基づき結果を判断できるように構成されました．ANSYS HFSS SBR+ によるシミュレーション結果は，3 次元ミリ波イメージングの課題の解決に寄与し，アンテナ設計の迅速な開発と洗練を実現しました．研究者は，ハイパフォーマンスコンピューティングを利用して，設計の調査と検証を行うことで，システム全体の開発期間を大幅に短縮しました．

まず，研究者は，シミュレーションモデル上で同位置にモデル化された送受アンテナ開口部を横切るようにして，アンテナを走査しました．

「ANSYS HFSS SBR+ によるシミュレーション結果は， 3 次元ミリ波イメージングの課題の解決に寄与し，

アンテナ設計の迅速な開発と洗練を実現しました．」

Use of 30 GHz bandwidth and 20-degree beamwidth revealed impact of reduced body illumination on image quality.

コネクテッドワールドの大規模な問題を HFSS SBR+で解決（英語）ansys.com/large-scale

5GHzの帯域幅と60度のビーム幅を使用すると，深さ分解能が低下し，その影響が画質に及ぶことが分かった．

30GHzの帯域幅と20度のビーム幅を使用すると，被写体照度が低下し，その影響が画質に及ぶことが分かった．


す．ただし，高帯域幅に対応するシステムを設計することは困難で費用もかかります．このため，研究者はシミュレーションを利用して帯域幅性能を評価し，必要な画質に応じて最も低い帯域幅を選択することもできます．

ANSYS のソフトウェアは，研究者がアンテナビーム幅の影響を調査するのにも役立ちました．研究者は，アンテナビーム幅

が画像に与える影響を把握するため，10 ～ 40GHz 幅に渡って様々なビーム幅をシミュレーションしました．これにより，20 度の半値ビーム幅を使用した場合よりも，60 度の半値ビーム幅を使用して構成した画像の方が，被写体照度がかなり高くなることが判明しました．また，広いアンテナビーム幅によって，より低い中心周波数での動作が可能となり，衣類による散乱や減衰を低減できることも分かりました．

3 番目のパラメータとして，研究者はシミュレーション画像に対する偏波の影響を調査しました．偏波ダイバーシチは，人体表面の偶発的な形状変化の影響を除去したり，人体の特徴を引き立たせたりするのに使用できます．交差 - 円偏波アンテナペアを使用して作成した画像は，垂直偏波アンテナを使用して作成したものよりも鮮明で，アーティファクトが減少していました．

こうした情報を利用すれば，次世代のミリ波走査システムを効率的に設計して，高品質な画像を生成し，自動化された脅威検出アルゴリズムで使用できます．このアルゴリズムは，空港などのエリアで広く導入されていますが，高品質な画像を使用すれば，隠された武器をより高い精度で検出し，誤警報を低減しつつ，セキュリティを向上させることができます．

次に，各位置で周波数スイープを実行し，受信アンテナ部の複素信号を評価しました．約 10,000 回のシミュレーション中，代表的なスキャンは，アンテナ位置ごとに約 500 個の離散周波数点サンプルを使用しました．その後，シミュレーションデータセット全体を処理し，フォーカスが完全に合った 1つの 3 次元画像を作成しました．

計測プロセスは半自動化されていますが，シミュレーションには，研究者が容易に再現できなかったり，実測試験を行うことが困難な場合があったりするシナリオを調査できるというメリットがあります．これによって，特定のアプリケーションの設計調査を制約なく行うことができます．

研究者は，こうした大量のシミュレーションデータの処理能力を大幅に向上させるため，ANSYS のハイパフォーマンスコンピューティングを利用して，10 個のシミュレーションを同時に行いました．このハイパフォーマンスコンピューティングと ANSYS HFSS SBR+ を組み合わせて使用したことで，リアルなシミュレーション画像データセットを 1 日に満たない時間で得ることができました．

画質の向上を実現ANSYS HFSS SBR+ を使用してシミュレーションモ

デルを作成し解析した後には，このデータを独自の数学的アルゴリズムで処理しました．研究者は，多くのシミュレーションシナリオを調査して，画質に対するビーム幅，帯域幅，偏波の影響を調べることができました．

画質に対する帯域幅の影響を確認するためには，5GHz と 30GHz のシナリオで同じアンテナビーム幅を使用して，各帯域幅をシミュレーションしました．これによって得られたデータは，より広い帯域幅を使用した場合に良好な深さ分解能が画質にどのような影響を与えるかを調査するのに使われました．

非常に広い帯域幅（最大 30GHz）を使用すれば，5mm もの精細な深さ分解能が得られる可能性があります．このようなより広い帯域幅を使用することで，高いレンジ分解能により検出技術を改善できることもありま

「このシステムは，隠された武器を非常に高い精度で検出し，誤警報を低減しつつ，

セキュリティを向上させることができます．」

Enhanced Detection (続き)

ハイパフォーマンスコンピューティングによってシミュレーションのスループットを大幅に向上させる方法（英語）ansys.com/throughput

空港のミリ波スキャナー（資料提供：TSA）

20 ANSYS ADVANTAGE ISSUE 3 | 2017 20 ANSYS ADVANTAGE ISSUE 3 | 2017

RFと無線

Ensuring Antenna Performance in Complex Wireless Environmentsネットワーク化が進んだ社会で無線システムが普及するにつれ，干渉

と性能低下が発生する可能性が高まっています．これによって，単に

個人の娯楽に支障が出るだけでなく，航空機や防衛装備の大惨事に

つながることもあります．企業が開発サイクルの早期に特化した

シミュレーションソフトウェアを使用して，干渉が発生する可能性の

ある場所を特定すれば，干渉問題の回避，開発サイクル後期での問題の

手直しにかかるコストの削減，リスクの低減を図ることができます．

Fred German（ANSYS，研究開発部門シニアマネージャー）

このように無線システムが広く普及したことで，常時モバイル通信サービス，ナビゲーションサービス，データサービスが様々な業界や分野（家電，ホームオートメーション，通信，自動車，航空宇宙，防衛など）に広がっています．また，第 5 世代無線システム（5G），「モノのインターネット（IoT）」，先進運転者支援システム（ADAS）を備えた自律走行車などのエキサイティングな新しい無線技術が登場するとともに，既存の無線技術の用途拡大と性能向上が急速に進み，ビジネスチャンスが大きく拡大しています．それと同時に，非常に多くの無線システムを設計して複雑な環境に実装しなければならないという課題に直面することが増えています．競争が激しくなったことで，所

期の動作環境で優れた性能を発揮することができる無線システムの設計，評価，実装を迅速に進める必要もあります．無線システムは，干渉と性能低下を引き起こす可能性のある他の隣接無線システムがある場所でも動作しなければなりません．また，ロバストなシステム設計を実現するには，こうした環境に存在する意図しない高周波（RF）干渉（RFI）源も考慮する必要があります．

無線システムのシミュレーションシミュレーション主導の製品開発

によって，複雑な環境における無線システムの性能を予測する作業は，システム設計のコンセプト段階の初期に始めなければなりません．当然ながら，この設計には，設計中の無線システムとは別に、環境中に存在する他の無線システムと RF 信号源の影響も組み込む必要があります．所期の環境を考慮に入れて設計しないと，実験では問題なく動作しても，実装後に性能が低下するシステムにつながる恐れがあります．その結果，費用をかけて干渉を緩和する必要が生じるばかりか，ビジネス戦略が失敗する可能性もあります．

< 現在の自動倉庫では，適切な運用に必要な通信とデータ転送を確実に行うために，多くの無線リンクが利用されている．図内のアンテナパターンは，倉庫に使われているいくつかの無線機器の位置を示している．こうしたシステムは，複数のアンテナが相互干渉することなく同時に動作するように設計しなければならない．

複雑な無線環境で高いアンテナ性能を実現

© 2017 ANSYS, INC. ANSYS ADVANTAGE 21© 2017 ANSYS, INC. ANSYS ADVANTAGE 21

複雑な環境における無線システムをシミュレーションする際には，複数の解析分野と解析手法を使用しなければならないため，専門アナリストだけでなく，設計エンジニアも対象にして作成されたワークフローが必要になります．設計の生産性と効率を高めるには，必要に応じて幅広い精度のモデルライブラリが使えるシームレスなエンジニアリングワークフローの中で，これらの手法を連携させて使用する必要がありますが，これによって，完全で詳細な機器情報を入手する前にシミュレーションを開始できるようになります．シミュレーションは，性能要件の定義と部品の選択に寄与する結果をもたらします．

複雑な環境のシミュレーションANSYS では，ANSYS HFSS を

使用してアンテナの設計と配置を支援する電磁界解析や，ANSYS RF Option によってアンテナに接続された無線センサーの性能を予測できる電気回路 / システムシミュレーションなど，必要なすべての分野をカバーするワールドクラスのシミュレーションソリューションを提供しています．最新の ANSYS RF Option には，電磁界および電気回路 / システム分野のすべての技術を連携させて使用し，複雑な環境におけるあらゆる無線システムの性能を完全にシミュレーションできる ANSYS EMIT が含まれます．ANSYS EMIT では，様々なタイプの無線システムの業界標準に基づくモデルライブラリを利用することができます．EMIT 独自の幅広い精度のモデリング手法を導入すれば，不完全な設計および性能パラメータセットしか使用できない場合でも，シミュレーションを効果的に利用して早期に設計判断を下せるようになります．

たとえば，現在の自動倉庫では，注文を受けた製品をデリバリードローンで配送することがあります．この倉庫では，多くの無線機器を利用することで，この注文配送プロセ

Complex Wireless Environment (続き)

ANSYS EMITを使用して高周波干渉を予測（英語）ansys.com/emit

シナリオマトリックスシミュレーション結果ビューには，起こりうる性能問題のシステムレベルの概要が色分けして表示される．赤色の四角形は，影響を受けるシステム間の問題のある干渉を表す．当然，さらなる注意を払って，この問題を緩和する必要がある．周波数計画，干渉緩和策，運用手順を適切に実行した後には，シナリオマトリックス全体が緑色になる．これは，すべてのシステムが倉庫環境で適切に動作していることを意味する．

システムの周波数計画と緩和策

自動診断機能，信号トレースバックディスプレイ，タグ付きのスペクトルディスプレイを使用すれば，無線システムの性能問題の根本原因を特定して，緩和策を策定し，その評価を行うことができる．


スの様々な部分を無線でリンクさせています．この倉庫で使われている無線システムには，在庫管理用の無線自動識別（RFID）タグとリーダーのほか，様々な無免許周波数帯で動作し，ロボットやドローンとの間でコマンドを送受信する無線リンクシステム，位置情報を知らせる GPSシステム，機器間を接続する Wi-Fiおよび Bluetooth® 接続システムなどがあります．その他にも，倉庫内の作業者間のコミュニケーションに利用されるハンドヘルド型無線機などの RF 信号源があります．これらの信号源は，倉庫運営に使われる無線リンクの性能に影響を与える可能性があります．こうした複雑な無線環境では，干渉が発生してシステムの性能が低下するケースが多くあります．倉庫の無線システムの設計段階の早期にシミュレーションを利用すれば，システムを実装する前に，費用のかかるダウンタイムを識別して回避することができます．

解析担当者が ANSYS HFSS とANSYS RF Option を使用すれば，倉庫の建築前であっても，倉庫環境内で動作するすべてのアンテナと無線機器の性能をモデリングできます．最上位の結果は，マトリックス内の各四角形によって無線システム間の相互作用を表すシナリオマトリックスにまとめることができます．色分けされたスキームによって，様々な性能問題を赤色の四角形で識別することも可能です．緑色の四角形は，性能要件が満たされていることを意味します．シミュレーションを行って詳細な結果を得れば，周波数計画の推進，動作パラメータの定義，緩和策の提案を適切に行うことができます．この緩和策は，すべての無線システムが同時に動作するのに適した運用（シナリオマトリックス全体が緑色になる）を実現するために必要です．

干渉の回避複雑な環境にシステムを統合する

際に直面するもう 1 つの代表的な課題は，ヘリコプターなどの航空機に

装備されるすべての無線送信機 / 受信機が正しく動作するようにすることです．アンテナはすべて，他のアンテナの性能を低下させることなく同時に動作しなければなりません．対処しなければならない複雑さを理解していただくために説明しますと，一般的な航空機環境には，性能低下につながる干渉が起こる可能性のあるパターンが数千万以上あります．上記のシナリオマトリックスでは，高レベルの概要を表示して，システムの相互作用の問題を迅速に特定できますが，この問題の根本原因や干渉信号の経路に関する知見をほとんど得ることができません．ANSYS EMIT では，設計者が問題を迅速に特定して緩和策を策定するのに必要な自動診断や結果の可視化機能を利用することができます．

たとえば，ヘリコプターに装備されている無線機の 1 台が，同じ場所に配置されている他の複数の送信機が同時に動作することで発生する干渉に晒される場合には，自動診断機能によって，信号トレースバックディスプレイおよび干渉タグを配置した広帯域スペクトルプロットが表示されます．これにより設計者は，2 台の送信機システム間の干渉によって電力増幅器の非線形性が発生したことに起因する高次相互変調積がこの問題の原因であることがすぐに分かります．自動診断機能を使用せずに，こうした相互作用を予測して診断することは非常に困難です．試験と計

測による手法を用いて，これらの問題を特定するには，すべての RF 装置が稼働している環境全体を試験する必要があり，膨大な費用がかかります．先ごろ，大手航空宇宙企業のシステムインテグレーションプログラムマネージャーが推定したところによると，新しい無人機のコンセプト設計段階の早期に，本稿で取り上げているような航空機の RFI 問題を特定して対処すれば，100 万ドル以上節約できるとのことです．

統合されたワークフローこれらの例で分かるように，複雑

な環境で使われる無線システムの設計を推進するにはシミュレーションを使用する必要があります．無線機器の数が増えるにつれ，設置場所で適切な性能を発揮することが期待される設計対象システムの性能に対して，同じ場所に配置される機器が及ぼす影響を評価する必要性が高まっています．

複雑な環境における無線システムの性能を効率的かつ正確にシミュレーションするには，システム設計者向けの緊密に統合されたワークフローが必要です．こうしたワークフローは，様々な分野に対応するクラス最高水準のソルバー技術と，無線システムの設計および統合プロセス全体で設計判断を迅速に評価できるよう支援する自動診断機能を使用できるものでなければなりません．

過密な環境ですべてのシステムが相互干渉することなく動作できるようにする必要があるシステム統合設計者は，ヘリコプターなど1つの航空機プラットフォームに複数のRFシステムを統合するという共通の課題を抱えている．図内の放射パターンは，航空機に取り付けられている9本のアンテナの位置を示している．


シグナル

Smart Modular Technologies 社のエンジニアは，ANSYS Electronics Desktop プラットフォームを

使用し，高速プリント基板のシグナルインテグリティ解析に要する時間を数日から数時間に短縮しています．

同社のエンジニアは，統合された電磁界 / 熱 / 構造シミュレーションを利用して，

信頼性の高いアダプターを開発しました．

Fabio Bauman（ブラジルアチバイア，Smart Modular Technologies社，研究開発スペシャリスト）

Smart Modular Technologies 社（以下，SmartM 社）は，ダイナミックランダムアクセスメモリ（DRAM），フラッシュメモリ，ハイブリッドメモリの大手メーカーです．SmartM 社は，1 つの試験プラットフォームを 2 種類のモジュールに対して使用できるようにするために，SO-DIMM（small outline dual in-line memory module）からUDIMM（unregistered dual in-line memory module）に変換するアダプターを開発する必要がありました．このアダプターの最初のバージョンは設置時に機能しませんでした．SmartM 社のエンジニアはシグナルインテグリティ

の問題を疑いました．これまで，エンジニアが特定の問題を診断する際には，最初に，複雑なレイアウトを扱える 2.5 次元 EM

シミュレータで基板全体をシミュレーションしてから，この S パラメータ結果を，重要な集積回路（IC）

パッケージとプリント基板（PCB）に必要な高分解能が得られる 3 次元フル

ウェーブシミュレータに転送する必要がありました．最後に，このチームはこの統合シミュレーションで得た S パラメータ

データを回路シミュレータで使用し，線形ネットワーク解析を行っていました．この手法はかなり時間がかかり

交差する信号

断面上の電場

CROSSEDSIGN LS

「SmartM社のエンジニアは，ANSYS Electronics Desktopに新たに追加された

レイアウト主導のアセンブリワークフローを導入し，このアダプターのシミュレーションにかかる時間を短縮しました．」


SmartM社のSO-DIMM SmartM社のUDIMMSIGN LS

「SmartM社のエンジニアは，ANSYS Electronics Desktopに新たに追加された

レイアウト主導のアセンブリワークフローを導入し，このアダプターのシミュレーションにかかる時間を短縮しました．」

ました．というのも，エンジニアリングチームは 2 ～ 3種類のソフトウェアパッケージで，何回かのデータエクスポート / インポートステップを実行しなければならなかったからです．この作業は設計案ごとに繰り返す必要がありました．

SmartM 社のエンジニアは，ANSYS のチャネルパートナーである ESSS 社と協力して，ANSYS 18 のANSYS Electronics Desktop に新たに追加されたレイアウト主導のアセンブリワークフローを導入し，このアダプターのシミュレーションにかかる時間を数時間に短縮しました．この手法では，複雑なプリント基板に対応する ANSYS SIwave，コネクタと重要なネットに対応する ANSYS HFSS，回路シミュレータなどのいくつかのソルバーを 1 つの統合プラットフォームで連携させて使用し，フルチャネルの S パラメータを自動的に抽出できます．シミュレーションにより，3 本の信号配線にクロストークとインピーダンス不整合が発生して，アイダイアグラムの開口率，ジッター，ビット誤り率を悪化させていることが分かりました．SmartM 社のエンジニアは，これらのシミュレーション結果を用いて，この問題の原因を特定するとともに，基板設計を修正して問題を軽減しました．また，ANSYS Icepak と ANSYS Mechanical を利用して，基板のサーマルインテグリティと熱機械応力に対する耐性を検証しました．

困難なシグナルインテグリティ問題プリント基板の設計では，データレートが高くなると

ともに，電圧マージンが狭くなり，シグナルインテグリ

ティが喫緊の課題となっています．このケースでは，基板が自動メモリテスターによる試験に合格したため，メモリではなくシグナルインテグリティが問題の原因であることが強く疑われました．SIwave を使用したシミュレーションにより，何本かの信号配線とクロック配線にクロストークとインピーダンス不整合が発生することが判明しました．次に，エンジニアが各バイトレーンをチェックしたところ，これらのバイトレーンのアイダイアグラムの目が閉じていました．

初期設計では，プリント基板コアの近くに信号層およびクロック層があり，これらの層の上下には，いくつかに分かれた電源層およびグランド層が配置されていました．SmartM 社のエンジニアは，配線が電源 - グランドの不連続部を跨ぐ箇所で発生するインピーダンス変化などの問題を回避するため，このスタックアップを変更することにしました．エンジニアは，信号層の上下にグランドプレーンを直接配置してリターン経路を改善しました．さらに，電源を最上層と最下層に割り当てるとともに，低速ネットおよび電源ネットを最下層に移動し，内部信号層には重要なメモリデータネットとクロック信号のみを残しました．また，エンジニアは，層の厚さを色々試して，信号層のインピーダンスを最適化したほか，何本かの配線の経路を変えて，同じ層の配線間のクロストークを回避しました．

SIwaveで形状をパラメータ化（英語）ansys.com/parameterization


Crossed Signals (続き)

SmartM 社のエンジニアは，インピーダンスとクロストークのシミュレーションを再び実行し，新しい設計の有効性を確認しました．アイダイアグラムのマージンが初期設計よりも大きくなったため，シグナルインテグリティの問題が解決したことが分かりました．また，DDR4 JEDEC JESD79-4 仮想コンプライアンステストにより，新しい設計が DDR4 マージンを上回ることが確認できました．

サーマルインテグリティ次に，SmartM 社のエンジニアは新しい設計のサーマ

ルインテグリティの解析に取り組みました．エンジニアは最初に SIwave を使用して，プリント基板の DC 電流，電圧降下，電力を計算してから，これらの結果を用いてジュール熱を求めました．基板が小型化する一方で，電力消費は以前と同じか上昇しているため，ジュール熱は，プリント基板に作用する熱荷重の原因として重要性を増しつつあります．自動化された双方向ワークフローは，このチームが基板の配線マップと電流密度の予測結果を ANSYS Icepak にエクスポートするのに役立ちました．Icepak は基板全体の温度を計算し，このデータを Electronics Desktop に自動的に戻します．さらに，SIwave が温度場データに基づいて DC 解析の電気特性を更新してから，基板の配線マップと電流密度を再計算しました．この自動反復プロセスは，温度の計算が収束するまで反復され，最悪のシナリオでも温度上昇は 12℃にとどまることが分かりました．

構造耐久性SmartM 社のエンジニアは，プリント基板と

SO-DIMM コネクタ間の機械的接続の耐久性も考慮しま

した．エンジニアは最初に ANSYS SpaceClaim を使用して ECAD 形状を読み込んでから，この形状をソリッド形状層に変換し，構造モデルを作成しました．さらに，

ANSYS Mechanical を用いて，このソリッド層を格子要素に離散化しました．ECAD 形状の詳細は，各要素に適した金属と誘電体の割合に応じた材料特性を割り当てることで表現しました．これによって得られた有限要素モデルにより，基板全体に作用する熱 / 構造荷重に起因する応力，ひずみ，変形を，詳細な基板形状を解析した場合の数分の 1 の時間で正確に予測できました．また，ANSYS Mechanical で計算した応力プロットでは，コネクタが予想耐用年数に渡って確実に機能することが確認できました．

エンジニアが現在の電子システムの性能と信頼性への要求に応えるには，プリント基板の設計に細心の注意を

払わなければなりません．多くの場合，シグナルインテグリティ要件を満た

すには，試行錯誤方式で実現することが極めて困難な，非常に特殊なレイアウトが必要になりますが，プリント基板の電磁界 / 熱 / 構造シミュレーションを行えば，現在の高速インターフェース規格に迅速に対応できます．様々なマルチフィジックスソフトウェアの統合により，製品開発の初期段階における設計サイクルで可能な期間内に，プリント基板全体のシグナルインテグリティ，サーマルインテグリティ，構造強度をシミュレーションすることが初めて可能になりました．このプロジェクトに取り組んだ SmartM 社は，このアダプターが製品化される前に，サプライヤーから購入するアダプターに比べて60% 低い価格でアダプターを作製し，エンジニアリングニーズに合わせてカスタマイズされた社内ソリューションを非常に迅速に開発できました．それと同時に，試作にかかる時間とコストを 50% 低減することもできたのです．

SmartM 社は，ANSYS のエリートチャネルパートナーであるESSS 社の協力を得ています．

構造応力（ANSYS Mechanicalで計算）

プリント基板の温度（ANSYS Icepakで計算）

初期設計のアイダイアグラム最終設計では，アイダイアグラムの目がより大きく開き，DDR4仕様を満たした．


高速エレクトロニクス製品の設計に

おいて大きな課題となっているのが，

シグナルインテグリティです．電子機

器のエンジニアは以前から信号のクロ

ストークの問題に取り組んできましたが，多く

のエレクトロニクス製品が私たちの生活に浸透

し，不適切な設計手法のマイナスの影響が顕著に

現れるようになっています．ANSYS HFSS と

ANSYS SIwave の高度な機能を利用できる

ANSYS Electronics Desktop は，シグナルインテグリティ，パワーインテ

グリティ，EMI/EMC などの電子システムの信頼性問題に対処しようとして

いるエンジニアに不可欠なソフトウェアです．Interconnect Engineering社は，

これらのシミュレーションソフトウェアを用いて，DDR3-800 基板に関する

カスタマーケースを解析しました．すると，意図しないクロストークが BGA

ビアに発生していることに気づいたため，プリント基板の基準層により近い層

に信号をルーティングして，この問題を解決しました．

A VIA RUNS THROUGH IT

シグナルインテグリティ

Stephen P. Zinck（米国ノースバーウィック，Interconnect Engineering, Inc., 社長）

ビアに発生するクロストークを低減

© 2017 ANSYS, INC. ANSYS ADVANTAGE 27© 2017 ANSYS, INC. ANSYS ADVANTAGE 27

クロストークは，シグナルインテグリティ（SI）解析が主流になる前から存在していました．初期設計の代表例が，IBM PS/2 用の「Micro Channel」規格に対応する 10Mbit/s の Ethernet カードです．この概念実証プロトタイプは，実のところ，プログラム可能アレイ論理

（PAL）ベースの設計を既製の開発基板に物理的に配線して実装していました．この基板には，数千もの緑色，青色，黄色，赤色の短い結線と配線ピンが密集していたため，深刻なクロストークの問題が発生する恐れがありました．ところが，この設計は問題なく機能しました．その理由は，タイミングマージンがかなり大きく，エッジレートが極端に遅かったからです．エレクトロニクス製品の設計・検証エンジニアは，労力を要するこの試行錯誤ワークフローが実用に耐えなくなった途端，それを放棄しました．

現在の高速クロストーク問題高速エレクトロニクス製品の登場によってクロストー

クが現実的な問題になり，配線基板の設計はすぐに時代遅れになってしまいました．従来から存在するクロストークが依然として現在の高密度設計に問題を引き起こしています．デュアルストリップラインプリント基板を使用すると，クロストークの問題が発生する可能性があります．特に，ボールグリッドアレイ（BGA）からの引き出し配線の長さは，現在の高エッジレートの IC では，クロストーク飽和を起こすのに十分足りることがあります．どの設計者も，同一層上の配線間の間隔違反など，避けるべき最も明白なクロストークケースは知っています．クロストークはコネクタシステムやデバイスパッケージに発生しますが，一部の設計者が意外に思うかもしれない領域にも潜んでいます．

顧客解析事例：DDR3-800Interconnect Engineering 社は，速度や技術の観点から

見て何の問題もない DDR3-800 基板を解析する仕事を顧客から依頼されました．最初に，SIwave を使用して，因

果律および受動性を満たす有効な S パラメータを抽出してから，以前に構築した Designer SI DDR3 環境にこれらの結果をインポートし，シミュレーションを行いました．しかし，これらのシミュレーションでは，意外な結果も得られました．シミュレーションで得た波形を確認したところ，クロストークに起因すると思われる重大なシグナルインテグリティ問題が DQS 信号（データが妥当であるかどうかを示す評価信号）に発生していることが分かりました．また，このクロストークによって，DQS 信号のエッジが移動し，この信号のフライトタイムがバイトレーングループの他の信号に対して相対的に変化していることも確認できました．同じバイトレーングループの隣接チャネルを励振せずに，このチャネルをシミュレーションした場合には，シグナルインテグリティとフライトタイムスキューが正常化しました．こうした悪影響を把握するには，より綿密な調査が必要になります．

クロストークの原因を特定ANSYS SIwave には，クロストークの原因を特定で

きる強力な新機能が搭載されています．SIwave を利用すれば，最小限の設定時間で様々な解析を実施できるだけでなく，その結果も解析することができます．SIwave を使用した Interconnect Engineering 社は，この設計の近端クロストークの結果が異常な挙動を示すことに気づきました．

DQS 信号（赤色で表示）は，クロストークの影響を受けましたが，奇妙なことに，終端側にはクロストークの影響が見られませんでした．このため，配線間の間隔違反が疑われましたが，DDR3 インターフェースのレイアウトを行った企業は，エッジ間のクロストークを防止するための配線間隔の制約が通常想像されるよりも厳しくなるよう万全の対策を講じていたため，配線間の間隔違反はクロストークの原因ではありませんでした．

次に，エンジニアは，ANSYS HFSS とその 3 次元電磁界ソルバーを使用して，クロストークのミステリーを解決することにしました．最初に，データベースを

A Via Runs Through It (続き)

ANSYS SIwaveによるシミュレーションで得られた波形により，意外にもクロストークに起因すると思われる重大なシグナルインテグリティ問題がDQS信号に発生することが分かった．

クロストークが発生しているチャネルクロストークが発生していないチャネル


HFSS にインポートしてから，因果律と受動性を満たすS パラメータを再び抽出して Designer SI 高周波回路シミュレータにインポートし，検証を行いました．その結果，SIwave または HFSS のいずれのソフトウェアを使用しても同じ現象が見られることが分かりました．

ANSYS Electronics Desktop により，顧客が非常に適切なクロストークルールで自社の設計をルーティングし，制約していたことが判明しましたが，シミュレーションでは，実際に信号間に大きなクロストークが発生することが明らかになりました．当該の信号は，同一層上に隣合せにルーティングされてもいませんでした．クロストークの原因は，ルーティング自体でなく，BGA フットプリント領域にある複数の隣接ビアにありました．このデバイスは市販のプロセッサであったため，これらの BGA ピンを変更できなかったのです．このため，設計者が知らないうちに，または設計者が何らかの変更を

行ってクロストークの影響を回避することができなかったために，設計にクロストークが埋め込まれてしまったと考えられました．

クロストークを低減顧客が使用したプリント基板スタックアップは多くの

層で構成されており，かなりの厚さがありました．インターフェースのルーティングに使用した層はたまたまこのスタックアップの第 2 層に近接していました．Interconnect Engineering 社は，BGA フットプリント領域にあるビアに発生するクロストークが問題であるならば，ビアの平行配置を減らすことで状況を改善できるのではないかと考えました．同社は再び ANSYS Electronics Desktop を利用して，ルーティングに使用する層を基板の基準層に近いより好ましい層に変え，これによって問題を解決できるかどうかを確認しました．

ツールボックスにもう1つのツールを結果は明らかです．基準層により近い層を使用すれば，

あらゆるシステム，特に高速システム（DDR4，28Gb/s，100Gb/s など）のクロストークを低減することができます．エンジニアは，もはや設計を 2 次元で考えたりシミュレーションしたりするのではなく，3 次元の観点を取り入れる必要があります．BGA フットプリント領域にあるビアは，私たちが思っているほど生易しいものではありません．このため，「重要なインターフェースのクロストークを低減しようとする場合には，基準層により近いルーティング層を使用する」というもう 1 つのルールを設計者のツールボックスに追加するとよいでしょう．このプロジェクトでは，クロストークの原因がよく分からず，ANSYS の最先端のシミュレーションソフトウェアを使用してはじめて特定できました．

Interconnect Engineering 社は，ANSYS Electronics Desktop の機能をフルに活用したことで，顧客のクロストーク問題を分析，診断し，解決策を実行に移すことができましたが，場合によっては，この問題を解決するために，費用のかかる再設計を少なくとも 1 回行うことになっていたかもしれません．同社が ANSYS のソリューションを使用していなかったら，クロストークを引き起こしていた問題を特定できなかった可能性があります．また，エンジニアがメモリインターフェースの速度を落として，帯域幅性能が標準以下の製品を出荷するという手段をとらざるを得なかったかもしれません．プロジェクトのスケジュール，コスト，性能に影響が及んだ可能性もあります．しかし，ANSYS Electronics Desktopを使用した Interconnect Engineering 社は，最高の性能を発揮する製品をスケジュール通りに予算内で出荷することができました．

Designer SI高周波回路シミュレータによる結果により，ANSYS SIwaveまたはANSYS HFSSのいずれのソフトウェアを使用しても同じクロストーク現象が見られることが分かった．

基準層により近い層を使用した結果，クロストークが減少した．


RFとワイヤレス

高周波アンテナは，従来は，数十から数百，あるいはそれ以上の個々のコンポーネントとハードウェアを組み立てることによって構築されて，必要な RF 性能と構造的完全性を実現していました．RF エネルギーはコンポーネント間を接合部，継ぎ目，および切れ目を経由して伝播するので，RF パス長を増やして，これらの

障害物を相殺する必要があります．各コンポーネントには，設置面とハードウェアが必要なため，不要な重量と空間が増えます．さらに，部材は，製造時の制約を考慮した設計を満たすために適した厚さである必要があり，アセンブリクリアランスのための余分な空間があらゆる部分に必要になります．

現在は，金属 3D プリンティングの進歩により，ミリ波長範囲に必要な規模のアンテナと RF コンポーネントを組み立てることが可能になりました．アンテナ全体は，単一コンポーネントとして 1 つの型で印刷できます．接合部，継ぎ目，および切れ目がなくなることで，RF パスの長さを大幅に削減でき，設置面とハードウェアがなくなることでさらにサイズと重量を削減できます．材料の壁厚を減らすことで，さらにそれらを削減できます．アセンブリクリアランスが必要なくなるので，エンジニアは，3D ボリューム全体に隙間なく機能を詰め込んで，さらにサイズを削減できます．Optisys社のエンジニアは，ANSYS シミュレーションソフトウェアを使用して，新

Antenna DesignMichael Hollenbeck氏（米国ユタ，Optisys社，チーフテクノロジーオフィサー）

Tuning in to

アレイモデル

最適なアンテナ設計への取り組み

Optisys 社は，エンジニアリングシミュレーション，大規模

計算，および 3D プリンティングを使用して，アンテナの

サイズと重量を数桁分減らすことに成功し，開発期間も

短縮しました．このスタートアップ企業のエンジニアは，

Rescale 社の大規模計算プラットフォーム上で動作する

ANSYS の電磁界と構造のシミュレーションツールを利用

することによって，統合アレイアンテナの無線周波数（RF：

Radio Frequency）性能要件を満たすために 3D プリン

ティングによってもたらされる設計の自由度を最大限に

活用しています．


しい 64 素子の X バンド衛星通信用アレイ（XSITA：X-band SATCOM Integrated Tracking Array）アンテナのサイズ，重量，および開発期間を数桁分減らすことに成功しました．このような成果を上げるために必要な量のシミュレーションは，信じられないほどの数値計算を使用します．Optisys 社は，大量のシミュレーションを Rescale 社のハイパフォーマンスコンピューティング（HPC：High-Performance Computing）用クラウドプラットフォームで実行することによって，自社のオンプレミス IT 設置面積を最小限に抑えています．

アンテナ設計に革命を起こす3D プリンティングは，従来の組み立て式アンテナを

はるかに上回るレベルの統合と性能を実現することによって，高周波アンテナの設計に革命を起こしています．3D プリンティングや他の新しい製造プロセスの潜在的なメリットを最大限に活用するために，エンジニアはアンテナを一から再設計する必要があります．これは，初期設計の手計算，試作品の製作と試験，および手動による調整を実行する従来の RF 設計手法では時間がかる困難な仕事です．これらのステップは，設計がすべての仕様を満たすまで何度も繰り返すので，1 年以上かかる可能性もあります．

試作品を作成する前に，幅広い代替設計案を評価する作業を繰り返して最適な設計に到達するために，Optisys 社はシミュレーションを使用しています．ANSYS スタートアッププログラムに参加することによって，Optisys 社は，ANSYS HFSS 電磁界シミュレーションソフトウェアと ANSYS Mechanical 有限要素法解析ソフトウェアにアクセスして，設計のRF と構造の性能を評価しました．エンジニアは，ローカルに作成したシミュレーションモデルを Rescale 社のクラウドプラットフォームにアップロードします．このクラウドプラットフォームを使用すれば，ANSYS をネイティブに実行したり，強力な HPC リソースにアクセスしたりでき，コンピューティングインフラストラクチャーを維持する必要はありません．Rescale 社は武器国際取引に関する規則（ITAR：International Traffic in Arms Regulations）に準拠しているので，Optisys 社は防衛および国土安全保障の分野で使用するアンテナの場合でもこのプラットフォームを使用できます．

RF 設計の最適化Optisys 社のエンジニアは，初期概念設計をパラメータ化して，HFSS

を使用してアンテナの各部位の S パラメータを計算しました．ANSYS Optimetrics と呼ばれる電磁界解析の最適化ツールを使用して，S パラメータの結果に基づいて複数の設計変数を同時に評価し，主に RF 入力のうち送信された割合と反射された割合の比較について検討しました．最適化ツール

ANSYS HFSSによるアンテナ設計とプラットフォーム統合の解析（英語）ansys.com/antenna-design

放射素子のANSYS HFSSモデル

「Optisys 社は，エンジニアリングシミュレーションと Rescale 社の大規模計算プラットフォームを使用することで，大幅に効率を向上でき，設計サイクルを数か月から数週間に

短縮できました．」

アンテナのホーン内部のEフィールド


Antenna Design (続き)

は，インサーションロスと反射エネルギーを最小化する最適設計に向かう勾配に従うことによって，設計空間を段階的に探索します．エンジニアは，最適化ツールによって生成された設計の導波管空洞の E フィールドと表面電流のプロットを頻繁に生成することによって，性能を可視化して，最も改善が必要な領域を特定します．

XSITA 放射素子は，64 個の正方形導波管素子および構造支柱で形成されるチョークから構成されます．単一モードの入力を円偏光出力に変換する標準的な 2 ポートのセプタム設計に基づいて，左旋円偏波（LHCP：Left Hand Circular Polarization）と右旋円偏波（RHCP：Right Hand Circular Polarization）の両方が生成されます．LHCP と RHCP の両ネットワークは，放射素子アレイ全体の各象限が 4 素子× 4 素子のサブセットに分割されるように設計されています．偏光子出力は 16 対 1 並列給電ネットワークに接続されます．このネットワークによって，各象限は結合器ネットワークにプルダウンされ，モノパルスコンパレーターに送られます．両方の偏光を追跡するために，RHCP 出力と LHCP 出力には別々のモノパルスコンパレーターに接続されているので，出力ポートは合計で 8 個になります．各偏光のモノパルスコンパレーターは，並列給電の下部でコンパクトにネストされており，最小限の体積しか増えません．

導波管の間隔は複数の領域で 0.020 インチに近づいており，高度に集積化されているので，モデルのすべてのコンポーネントを可視化した状態で導波路をルーティングする必要がありますが，最適化のシミュレーション速度を向上するために形状の一部のみをシミュレーションする必要があります．

HFSS を使用すると，Modeler ウィンドウでは形状を残したまま，シミュレーションでは形状を包含または除外することが可能です．これにより，Optisys 社のエンジニアは，RHCP と LHCP の両ネットワークを独立して設計でき，相互に巻き付けることによって 3D 体積と導波管の長さを最小化することができます．

構造支柱の設計エンジニアは，ANSYS Mechanical で格子支持構造を解析して，アンテナ

の重量を最小限にするために RF コンポーネントの厚さを削減できるだけの十分な機械的強度があることを保証しました．また，ロッキングアームとギアを含み，外部モータに連結される，印刷された仰角軸を設計しました．

XSITA アレイの設計には，エンジニアが ANSYS HFSS を利用して複雑な

スタートアップ企業向けクラウドコンピューティングスタートアップ企業がクラウドベースのシミュレーションプラットフォームを採用するケースが増え続けています．なぜなら，これが，新製品のデジタル試作品を製作する，実行可能でコスト効率の良い唯一の方法だからです．スタートアップ企業は，増強した計算能力が必要になることがたまにありますが，たいていは適切なハードウェアインフラストラクチャーを購入，設定，および維持するために必要な IT スタッフや資本予算が不足しています．ANSYS は，Rescale 社などのクラウドホスティングパートナーと積極的に連携して，ANSYS のシミュレーションとHPC のリソースに対するシームレスなターンキーアクセスを提供します．これにより，スタートアップ企業から大企業までを含む ANSYS のお客様は，HPC，リモートホスティング，およびデータセキュリティの専門家であるパートナーが提供する HPC クラウドソリューションを利用できます．— Wim Slagter（ANSYS，HPC およびクラウドアライアンス担当ディレクター）

アンテナアレイの放射パターンは，A N S YS HFSSでさまざまな仰角と回転角についてシミュレーションする．


アンシス・ジャパン株式会社ANSYS ADVANTAGE Vol.10 Issue 3　IoT　半頁（w210mm, h148mm）

http://www.ansys.com/ja-jp/campaigns/internet-of-thingsANSYS が提供する IoT ソリューションの詳細はこちら

Courtesy:Synapse Product Development

IoT 向け製品の設計・開発、テストを支援する ANSYS

IoT における 5 つの重要な課題を解決するには、エンジニアリングシミュレーションが不可欠です。ANSYS は、エンジニアリングシミュレーションをIoT に適用するためのソリューションを提供します。

アンテナ製作に使用した3Dプリンター

RF 設計を最適化したときに 3D プリンティングで実現できる統合レベル，および Rescale 社のクラウド HPC プラットフォームで利用可能なほとんど無制限のスケーリング能力が示されています．Optisys 社のようなスタートアップ企業が成功を収めるには，革新的なソリューションを，豊富な資金を持つ大手企業よりも早く，市場に送り出す必要があります．Optisys 社は，エンジニア

リングシミュレーションと Rescale社の大規模計算プラットフォームの能力を使用して複数のプロジェクトを同時に進めることで，大幅に効率を向上でき，設計サイクルを数か月から数週間に短縮できました．

このサイズの既存のアンテナは平均 50 ポンドで，100 個を超える

コンポーネントで構成されますが，Optisys 社の XSITA はわずか 8 ポンドで，単一コンポーネントで構成されます．3D プリンティングという，急激に拡大し，前代未聞の能力を実現する新しい分野では，これまでに説明したような能力を利用することで，Optisys 社のようなスタートアップ企業でも競争することができます．

Rescale社のクラウドHPCシミュレーションプラットフォーム（英語）rescale.com/ansys

「Optisys 社のエンジニアは，ANSYS シミュレーションソフトウェアを使用して，新しいアレイアンテナのサイズ，重量，および開発期間を

数桁分減らすことに成功しました．」

3Dプリンターで製作されたアンテナ


RFとワイヤレス

今日のジェット旅客機は，機体表面からたくさんのアンテナが伸びているために抗力が

発生し，燃料消費量が増加します．ブラジル国立通信研究所（Inatel）と Embraer 社の

エンジニアは，燃料を節約できる新しいアンテナ設置方法を開発しています．エンジニアは，

ANSYS シミュレーションを使用することによって，試作品を製作する時間と費用を

かけずに，設置案の性能を予測できます．

Arismar Cerqueira Sodré Junior氏（ブラジルサンタ・リータ・ド・サプカイー，ブラジル国立通信研究所（Inatel），准教授），

Sidney Osses Nunes氏（ブラジルサン・ジョゼ・ドス・カンポス，

Embraer社，製品開発エンジニア）

Ins de Story

今日の旅客機は機体表面にアンテナが取り付けられている．

アンテナを機体表面に組み込む試み


民間航空機のアンテナの数は，新しい安全システム，航行システム，およびレーダーシステムに対応したり，Wi-Fi やテレビの生放送などのサービスを乗客に提供したりするために，着実に増えています．しかし，航空機の機体表面の従来の位置にこれらのアンテナを配置すると抗力が増えてしまい，航空機のエネルギー効率をさらに向上する必要があるときに，燃料の燃焼量が増加してしまいます．この課題を解決するために，Embraer 社は，航空機アンテナの新しい設置方法の設計に取り組んでいます．アンテナはすべての方向に同じ量の電波を放射する必要があるので，多くの設計変更を評価する必要があります．あらゆるアンテナ案と位置について試作品を構築して試験する必要があるとすれば，膨大なコストと時間がかかります．ブラジル国立通信研究所（Inatel）と Embraer 社は，ANSYS HFSS 電磁界シミュレーションソフトウェアを使用して，アンテナ設置方法の代替設計案の性能を評価しています．HFSS によるシミュレーション結果は実測値と緊密に一致しているので，代替設計案の評価にかかる時間が大幅に短縮されます．結果的に，将来の Embraer 社の航空機では大幅に燃料が節約される可能性があります．

実際のアンテナ設置による検証最新世代の民間航空機には，

航空管制（ATC：Air Traffic Control），航空機衝突防止（TCA：Traffic Collision Avoidance），計器着陸システム（ILS：Instrument Landing System），距離測定装置（DME：Distance Measuring Equipment）など，さまざまな用途で使用される最大 100 基のアンテナが設置されています．従来は，航空機の外部構造は主にアルミニウム製であり，これは電磁放射をほとんど遮断するので，アンテナを機体表面から突き出させる必要がありました．現在の多くの航空機は繊維強化複合材料で構築されているので，アンテナ設置に関して新しい電磁的な課題が生じており，航空機の機体にアンテ

ナを組み込むように設計するのが一層困難になっています．抗力を減らす以外に，この手法はアンテナを支えるために必要だった突出構造が不要になるので，重量が減る可能性があります．

アンテナ設置設計案をシミュレーションするために，Inatel と Embraer 社のエンジニアは，まずはアンテナを覆う複合材料の電磁特性を決定する必要がありました．

「航空機の機体表面の従来の位置にアンテナを配置すると抗力が増えてしまい，

航空機のエネルギー効率をさらに向上する必要があるときに，燃料の燃焼量が増加してしまいます．」

宇宙および航空用途のアンテナと電子システムの設計（英語）ansys.com/airborne-antenna

軽量のジェット航空機とそのドーサルフィンのANSYS HFSS数値モデル

中型航空機のCAD モデル

ドーサルフィン

アンテナ


そこで，既存のアンテナを保護する複合材料のドーサルフィンの試作品を物理的に製作しました．アンテナを励起して，生成される放射パターンを無響室で測定しました．無響室を使用すると，電磁波の反射および外部からの入射波がなくなるので，アンテナ放射を正確に測定できます．

エンジニアは，測定値を使用して HFSS で複合材料の特性を定義できるように，誘電率，損失正接，およびアンテナの放射パターンを測定しました．CAD

（Computer-Aided Design）モデルからは，構造とアンテナの形状をインポートしました．HFSS のメッシュ生成アルゴリズムはメッシュを生成して適応的に精細化し，局在化した電磁界の挙動により必要な場所には反復的にメッシュ要素を追加しました．次のステップは，計算領域の表面上およびオブジェクトインターフェース上のフィールドの挙動を指定する境界条件の指定でした．エネルギーがモデルに入る場所とモデルから出る場所にはポートを定義しました．アンテナの励振には，正弦波信号を使用しました．

Inside Story (続き)

ハイブリッドソルバー技術による時間短縮Inatel と Embraer 社のエンジニアは，ANSYS HFSS

のハイブリッド手法を使用して，ドーサルフィンの有限要素モデルおよび機体とアンテナの積分方程式モデルを組み合わせました．ドーサルフィンでは有限要素法を選択しましたが，これは，この構造の誘電特性が重要であり，有限要素法でそれらを正確に定義できるためです．航空機とアンテナの残りの部分では HFSS の積分方程式またはモーメント法（MoM：Method of Moment）を使用しましたが，これは，その計算が効率的であるためです．モデルの外部境界には，完全一致レイヤー

（PML）境界条件を適用して，計算領域における空気の量を減らしました．

無響室で試験している航空機のドーサルフィンの試作品

ANSYS HFSSのシミュレーション結果は，機体内部に設計されたアンテナによって生成される放射振幅のフィールドを示す．

ANSYS HFSSでの完全整合層境界の自動作成（英語）ansys.com/boundary-automation


PML は仮想の異方性複合材料であり，PML に衝突する電磁界を完全に吸収します．無反射放射を模擬するために，PML をモデル境界に配置しました．

ANSYS HFSS は，構造内の全電磁界パターンを計算し，3D 電磁界ソリューションのすべてのモードとすべてのポートを同時に計算しました．このシミュレーション結果は実測値と良い相関にあり，測定した材料特性とHFSS シミュレーションモデルの両方の妥当性が確認されました．エンジニアは，さまざまな繊維強化複合材料の性能は，周波数に依存することを特定しました．たとえば，100KHz では放射パターンに悪影響を与えずに大量の炭素繊維強化材を使用できますが，10GHz ではごくわずかな量の炭素繊維でさえ大きな設計上の課題を突き付けます．

「エンジニアは，複合材料に対するアンテナの位置および複合材料構造の厚さが，

アンテナの性能に最も大きな影響を与えていたことを発見しました．」

6

5

4

3

2

10.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

Frequency [GHz]

VSW

R

反復による最適設計への到達エンジニアは次に，全方向放射パターンを取得するこ

とを目的として，さまざまなアンテナ設置設計を評価しました．さまざまな設計パラメータの大きさを変更することによって，複合材料に対するアンテナの位置（X 方向と Y 方向）および複合材料構造の厚さが，アンテナの性能に最も大きな影響を与えていたことを発見しました．エンジニアは，HFSS のパラメトリック設計機能を使用して，それらや他の設計パラメータに関して広い範囲の値をバッチモードで評価しました．次に，航空機構造全体をモデリングして，アンテナの性能に与える影響を特定し，全方向で性能が維持されるようにさらに設計を変更しました．

エンジニアは，シミュレーションに基づいて，目的の全方向パターンに非常に近く，覆われていないアンテナ

の場合とほぼ一致する放射パターンを提供するアンテナ設置方法を開発しました．Inatel と Embraer 社のエンジニアは，アンテナの設計を最適化した後で，最適設計の試作品を製作しました．新しい試作品の実測値は，シミュレーションとほぼ一致しました．これらの新しいアンテナ設置方法の設計には，次世代の航空機の燃料消費量を大幅に削減する可能性があります．

Inatel と Embraer 社は，ANSYS エリートチャネルパートナーESSS 社がサポートしています．

最終的なアンテナ設計の測定値は，1～1.2GHzの周波数範囲では従来のアンテナの性能とほぼ一致していることを示している．

シミュレーションによる放射パターン（赤）と測定した放射パターン（黒）を比較すると，ほぼ一致することが示されている．

周波数 [GHz]

VS

WR


自動車

内燃機関の排出物を削減し，燃費を改善するには，燃料噴射ノズルが

液体燃料を分裂させて，噴霧液滴をエンジン筒内に押し出すプロセス

について，理解を深める必要があります．Delphi 社のエンジニアは，

エンジン性能を最適化するのに理想的な噴霧パターンで液滴を吐出で

きる燃料噴射器のノズル形状を設計するために，ANSYS の数値流体

力学（CFD：Computational Fluid Dynamics）ソフトウェアを

使用しています．

クリーンな内燃機関技術で改良を行うには，燃料と気体の混合，点火，および燃焼の各プロセスを制御し，最適化する必要があります．エンジニアは，各エンジンの特定の噴霧要件を，詳細なノズル設計に落とし込む必要があります．ノズル開発の大きな課題の 1 つは，一次分裂プロセスの基盤となる物理現象を特定し，ノズル形状がその現象に及ぼす影響を明らかにすることです．物理実験では，細い噴射ノズルの内部の乱流と渦の構造を測定する有効な方法がないので，分裂プロセスを限定的にしか理解できません．Delphi Automotive Systems社のエンジニアは，ANSYS Fluent CFDのラージエディシミュレーション（LES）を使用して，ノズル内部の流れの挙動と分裂プロセスを再現しています．シミュレーションで予測されたノズル内流れおよび噴霧パターンの評価は実験結果と良く一致していたため，流れの挙動について基本的な理解が大幅に進み，燃料噴射器のノズル設計の最適化に役立てることができました．

Breaking Up is Hard to Do

Junmei Shi氏（ルクセンブルクバシャラージュ， Delphi Automotive Systems社，シミュレーションチームリーダー），

Pablo Lopez Aguado氏（ルクセンブルクバシャラージュ， Delphi Automotive Systems社，博士課程学生）

燃料噴射：液滴分裂プロセス再現への試み


Simulation@Work

「Delphi Automotive Systems 社のエンジニアは， ANSYS Fluent CFD を使用して，ノズル内部の流れの挙動と

分裂プロセスを再現しています．」

燃料噴射器ノズルの従来の設計方法

液体燃料を分裂させて噴霧液滴を発生させる燃料噴射ノズルの性能およびエンジン筒内部での燃料と空気の混合は，燃費と排出物に大きな影響を与えます．噴霧生成プロセスでは，一次分裂現象と二次分裂現象が同時に発生します．一次分裂現象とは，噴流が変形し，大きな液糸が生成される現象を指します．液糸は，二次分裂プロセスでさらに液滴に分裂します．一次分裂プロセスでは，ノズル内部の乱流とキャビテーションおよびそれらの相互作用，ノズル外部の空力相互作用など，非常に複雑な混相および多重スケールの流体力学現象が発生します．燃料噴射エンジニアリング業界はこの問題に 50 年以上にわたって取り組んでいますが，有効な実験 / 計量診断ツールが存在しないことが壁となっていました．ノズル内部のキャビテーションを明らかにするために，位相差 X 線画像法（PCX：Phase-Contrast X-ray imaging）や X 線検査などの光学的測定手法が開発されていますが，これまでのところ，噴射ノズル内部の流れ場の乱流を測定する有効な方法は存在しません．

研究者は，分裂プロセスを理解するためにシミュレーションも使用しています．CFD でレベルセット界面追跡法を採用して，液滴生成時の気液界面を表現することに成功しました．ただし，この手法を使用するには，直接数値シミュレーション（DNS：Direct Numerical Simulation）を実行する必要があります．DNS は，キャビテーション流れを考慮する乱流モデル

を使用しないで，ナビエ・ストークスの式の数値解析を実行します．しかし，必要な計算能力が確保できないため，今日でも有望な方法ではありません．レベルセット法に代わる方法として，VOF（Volume of Fluid）法があります．これは，界面自体ではなく，各セル内の体積分率を追跡します．VOF はノズル内部の流れの解析には有効ですが，噴流の分裂と液滴の生成の予測については不正確です．

測定手法とシミュレーション手法にこれまでに述べた制限があるので，燃料噴射器の設計のほとんどは，

依然として試作と試験を経て形状をパラメトリックに最適化する方法に依存しています．このプロセスは非効率的であり，多数の形状パラメータ間の相互作用および測定システムの不正確さの影響を受けます．

ノズル内部の流れの CFD シミュレーションを LES により実現

Delphi 社は，分裂プロセスにおけるノズル近傍の噴霧の気液界面構造を詳細に再現するために，Wayne State University および Argonne National Laboratory（米

国アルゴンヌ国立研究所）と協力しています．同時に，VOF 法および VOF とレベルセットの連成手法にANSYS Fluent の LES 乱流モデルスキームを組み合わせることで，一次分裂プロセスにおけるノズル内部の多重スケールの渦挙動およびノズル近傍の噴霧の気液界面を同時に表現しています．LES では，大規模渦は直接解像されますが，小規模渦はモデル化されま

ノズル流路

円形噴孔ノズルのニードル弁のリフトを高くした場合と低くした場合に，噴霧のシミュレーション結果と測定結果との間に強い相関関係があることは，ノズル内流体解析の信頼性を高める．

出口

入口

ニードル弁座吐出ボ

リューム

穴


Fuel Injection (続き)

す．大規模渦のみを解像することで，LES は，DNS と比較して，はるかに粗いメッシュと大きめの時間ステップを使用できるようになります．Delphi 社は，この手法を使用して，ノズルの穴に丸みのある場合とシャープエッジ（丸みなし）の場合，さらに高性能（HP：High-Performance）噴霧孔ノズルの場合について，シミュレーションしています．高性能噴霧孔ノズルは，穴のテーパーを非常にきつくして，ノズルの水力効率および噴霧の運動量のレートを高めます．

エンジニアは，ノズル内部の流れの LES シミュレーションを使用することによって，ノズル形状の違いがチャートに示されている対照的な結果を生む仕組みを理解できました．

ノズル設計のシミュレーションへの移行それぞれのケースで予測された噴霧パターンと測定さ

れた噴霧パターンの間に望ましい相関関係が見られたことで，ノズル内部の流れパターンの精度に信頼が持てました．流体がノズル孔に入るプロセスが渦の放出を誘発し，それがさらに液体表面の変形と液糸の生成を引き起こして一次噴霧分裂が起こることがわかりました．この研究結果は，弁座 - ノズルサック，噴孔入口の丸み，テーパー，ニードル形状，噴霧生成時のニードルリフトなど，ノズル設計パラメータの影響を明らかにして，高圧燃料噴射における一次分裂メカニズムについて理解を新たにするものです．

燃料噴射研究の分野では，ノズル内乱流およびその乱流が噴霧シミュレーションに与える影響を理解するという課題に 50 年以上にわたって取り組んできました．

LES を使用した CFD シミュレーションにより，エン

• ノズル近傍の噴霧は，大規模で規則的な表面構造と小規模で不規則な構造の間を遷移する変動を示す．

• 渦の放出とキャビテーションは比較的弱い．

• ひも状構造は噴孔出口まで断続的に残る．

• 噴流が分裂し始める位置がノズル穴出口に近くなり，噴霧パターンは，より微小な構造を示し，安定性が高まる．

• 噴孔入口上縁で小規模な渦が発生し，渦の放出が伴う．互いに逆方向に回転するひも状の渦ペアが発生し，ひも状キャビテーションが伴う．

• 放出される渦とキャビテーションの強度が大きいため，噴孔内部でひも状構造が分裂する．

• 小規模で不規則な表面構造を持つ適度に安定した噴霧パターン．

• 放出渦がひも状渦と相互に作用するが，キャビテーションは見られない．

• 放出渦が脈動する運動量を生成し，それが噴孔出口を出て噴流の変形および波状の気液界面構造を誘発する．

• 放出渦は脈動する表面渦も生成する．この表面渦は，液体と周囲の気体の間の気液界面相互作用により増幅されて液滴の生成を誘発する．

丸みありシャープエッジ（丸みなし）高性能噴霧

R = 20µm R = 0µm R = 5µm

d = 150µm d = 150µm d = 120µm

エンジニアは，ノズル内部の流れのLESシミュレーションを比較することによって，ノズル形状の違いが対照的な結果を生む仕組みを理解できた．

形状によるキャビテーション

形状によるキャビテーション

キャビテーションなし

渦放出渦放出渦放出ひも状渦ひも状渦ひも状渦

ひも状キャビテーション

ひも状キャビテーション


ReferencesShi, J.; Aguado Lopez, P.; Dober, G.; Guerrassi, N.; Bauer, B.; Lai, M.-C. Using LES and X-ray Imaging to Understand the Influence of Injection Hole Geometry on Diesel Spray Formation, Valencia: THIESEL 2016 Conference on Thermo- and Fluid Dynamic Processes in Direct Injection Engines, 2016.

Shi, J.; Aguado Lopez, P.; Guerrassi, N.; Dober, G. Understanding High-pressure Injection Primary Breakup by Using Large Eddy Simulation and X-ray Spray Imaging, MTZ Worldwide, 2017, Issue 5, pp. 50–57, doi 10.1007/s38313-017-0039-4.

ジニアは一次分裂プロセスの基盤となる物理現象およびノズル形状が噴霧構造に及ぼす影響について大幅に理解を深めることができました．Delphi 社のエンジニアは次のステップとして，新型エンジンに搭載する燃料噴射器のノズル設計プロセスにシミュレーションを組み込んでいます．シミュレーションは，エンジニアが，ノズル内部の形状パラメータ間の複雑な相互作用について理解

「Delphi Automotive Systems 社のエンジニアは，ANSYS CFD を使用して，ノズルの内部の流れの挙動と

分裂プロセスを再現しています．」

を深めるのに役立ち，パラメトリックな最適化プロセスから知識ベースの最適化プロセスへの移行を可能にします．試験に必要なサンプル数を削減できるので，ノズルの開発に必要な期間が短縮されることが予想され，エンジンの性能向上，燃費の向上，および排出物の削減につながります．

HPノズルの噴霧のシミュレーション結果と測定結果が良く一致している．

噴射器の挙動の仮定およびその仮定がキャビテーションと性能の予測に与える影響（英語）ansys.com/injector

DELPHI 社

長さスケールの相関渦

気液界面

X 線


宇宙船のタンクに入っている燃料がスロッ

シングすると，質量中心が変化する可能性

があります．この変化は，センサーを特定

の地点に正確に向けるために綿密に計算

されたマヌーバに影響します．Airbus 社の

エンジニアは，宇宙船の開発の初期段階で

流体 - 構造連成シミュレーションを利用し，燃料スロッシングが質量

中心に与える影響をエラストマー膜によって最小限に抑えるという提案

を評価しました．

Rémi Roumiguié（フランストゥールーズ，Airbus Defence and Space社，流体エンジニア）

宇宙船の代表的なミッションとして，気候と環境（植生，大気気体，海洋状態，氷地の変化など）のモニタリングや，地形マッピングの実施などが挙げられます．Airbus Defence and Space 社は，この分野の先駆的企業として知られており，セキュリティの向上，農業生産性の大幅な向上，石油・ガス・鉱物採掘の最適化，天然資源管理の改善，環境保護（森林伐採と炭素排出量のモニタリングによる）を実現する完全なソリューションを提供しています．

地上の定点を観測する任務を担うことが多い宇宙船にとって特に重要なのは，姿勢制御です．宇宙船は，異なる地点を観測したり，アンテナを地上局に向けて収集データを送信したりするために姿勢を頻繁に変えます．通常，姿勢制御システム（ACS）は，太陽電池から供給される電気を使って，制御

エラストマー膜は，タンクの下部からのオフセットを利用してモデリングされた．

航空宇宙・防衛

宇宙船用燃料のスロッシングを低減

Decreasing Spacecraft Fuel Sloshing


は複雑であるため，エラストマー膜の影響下におけるスロッシングをモデリングすることは容易ではありません．Airbus 社のエンジニアは，以前にこうした相互作用をモデリングしたことがなかったため，文献検索を行いましたが，ガイドとして使える公開された結果を見つけることが

できませんでした．このため，エンジニアは，ANSYS Workbench 環境で ANSYS の各種のマルチフィジックスソフトウェアを連携させて流体 - 構造連成（FSI）シミュレーションを行うことで，エラストマー膜の設計案の挙動を解析することにしました．

宇宙船の設計調査Airbus 社のエンジニアは，エラストマー膜が開発中

の宇宙船の応答に与える影響を計算するために設計調査を行う必要がありました．エンジニアは，宇宙船が所定のいくつかのマヌーバを実行した際に，質量中心と，燃料によってタンク壁に加わる力がどのように変化するかを評価するように求められました．これを行うには，エ

モーメントジャイロスコープとリアクションホイールを駆動し，小さな姿勢マヌーバを実行します．大きな姿勢マヌーバは，推進剤を燃料とするスラスターによって行われます．制御モーメントジャイロスコープとリアクションホイールに使われるアルゴリズムには，宇宙船の質量中心に関する正確な情報が必要です．しかし，宇宙船が動き始めると，タンク内の液体燃料がスロッシングして，質量中心が変化し，タンク壁に作用する力が発生して，その結果，制御モーメントジャイロスコープやリアクションホイールに影響することになります．

多くの宇宙船では，宇宙船を許容姿勢範囲内で制御できるように，スロッシングを低減する対策がとられています．1 つの方法としては，じゃま板やコンパートメントなどの物理的な障壁を使用してスロッシングを制御することが挙げられます．もう 1 つの一般的な方法は，エラストマー膜でタンクを 2 つのコンパートメント（片方には燃料，もう片方には加圧ガスが入る）に分けて，スロッシングを軽減することです．

設計者は，姿勢制御仕様を満たすために改善が必要かどうかを判断しなければなりません．また，この仕様を満たしている場合は，これを最小限のコストと重量ペナルティで満たすことができる手法を特定する必要があります．物理実験を行ってスロッシングを無重力状態で測定することはほぼ不可能であり，できたとしても膨大な費用がかかります．Airbus 社のエンジニアは，エラストマー膜で実現できる成果を評価するために，設計プロセスの早期にシミュレーションを利用することにしました．なぜならば，設計プロセスの後期よりも早期に設計変更を行った方がコストを要しないからです．

タンク内の液体燃料とエラストマー膜間の相互作用

「宇宙船の設計者は，姿勢制御仕様を満たすために改善が必要かどうかを判断し，この仕様を最小限のコストと

重量ペナルティで満たすことができる手法を特定する必要があります．」

122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133時間（秒）

x-加速度

x-速度

FSIシミュレーション時に適用された代表的な移動プロファイル

Airbus社の宇宙船から撮影された代表的な画像


ラストマー膜に対する液体燃料の影響と，この流体に対するエラストマー膜の影響を同時に解析しなければなりませんでした．FSI シミュレーションを行う上で最大の障害は，流体シミュレーション用の数値流体力学（CFD）ソフトウェアと，エラストマー膜のシミュレーションに用いられる有限要素法（FEA）解析ソフトウェアが，多くの場合，異なるベンダーによって供給されており，連携させて使用できるように設計されていないことです．これらのソフトウェアを連携させる方法はユーザー自身が見つけなければなりません．ソフトウェアを連携させて使用する場合には，スクリプトを作成して検証したり，シミュレーションごとに CFD ソフトウェアパッケージと FEA ソフトウェアパッケージ間でデータを手動で転送したりすることが必要になることがあります．こうしたシミュレーションプロセスの手動操作には時間がかかり，

Decreasing Spacecraft Fuel Sloshing (続き)

0.4

0.3

0.2

0.1

[s]

[m]

シミュレーションワークフローが複雑になるため，シミュレーション全体の精度が低下する可能性があります．

ANSYS のソフトウェアを導入すれば，FSI シミュレーションに必要な各種の物理解析機能（CFD ソルバーやFEA ソルバーなど）を ANSYS Workbench 環境で連携させて使用し，こうした困難を克服することができます．たとえば，特定のソフトウェアパッケージからの出力をシンプルなドラッグアンドドロップ操作で次のソフトウェアパッケージに入力できるため，データを手動で転送する必要がありません．このケースでは，Airbus社のエンジニアがエラストマー膜をタンクの下部からオフセットされた固体としてモデリングしてから，下側のタンク壁に流体出口を作成しました．ANSYS Fluent とANSYS Mechanical 間の独自の連携により，固体タンク壁を使用して流体領域モデルおよびANSYS Mechanical

機械的変形プロセスにおけるエラストマー膜の中間点の変位

Airbus社のエンジニアは，一方のコードの出力を別のコードの入力にドラッグして，流体コードと構造コードをリンクさせた．

「FSI などのマルチフィジックスシミュレーションを導入している Airbus 社のエンジニアは，大きなインパクトを

与える可能性のある設計プロセス段階で，十分な情報に基づいた設計判断を下すことができます．」


複雑さを克服（英語）ansys.com/mastering

さらに，流体圧力とエラストマー膜に発生する応力の間の平衡状態を維持しつつ，所望の充填率までタンク内の液体を排出できるように，質量流量出口を追加しました．また，流量プロファイルを使用して，タンク内の液体を徐々に排出し，圧力波の発生を回避しました．

流体 - 構造連成シミュレーションの実行エンジニアは，エラストマー膜の形状とこれに関連する

応力場を求めた後，所定の移動プロファイルをタンクに適用しました．各移動プロファイルは，代表的な宇宙船マヌーバを表す加速度時刻歴で構成されていました．過渡 FSI シミュレーションの時間ステップごとに，ANSYS Fluent が流体反力を計算すると，これらの結果が ANSYS Workbench によって ANSYS Mechanical ソルバーにシー

た．また，エンジニアは，シミュレーションを使用して，じゃま板やコンパートメントなどの他のスロッシング対策も評価しています．最終的な目標は，どの解決策がタンクの設計により適しているかを把握することにあります．

Airbus 社のエンジニアは，ANSYS のソフトウェアによって新たな解析能力を開発し，現在では，エラストマー膜を採用したタンク構成をシミュレーションできるようになりました．FSIなどのマルチフィジックスシミュレーションによって，Airbus 社のエンジニアは，完成品の性能，コスト，リードタイムに大きなインパクトを与える可能性のある設計プロセス段階で，十分な情報に基づいた設計判断を下すことができます．

「ANSYS のソフトウェアを導入すれば，FSI シミュレーションに必要な各種の物理解析機能（CFD ソルバーや FEA ソルバーなど）を

ANSYS Workbench 環境で連携させて使用することができます．」

ムレスに転送され，エラストマー膜に荷重が加わりました．次に，ANSYS Mechanical がエラストマー膜のたわみ量を計算すると，エラストマー膜の形状が更新されて ANSYS Fluentに戻され，この形状に基づいて，次のシミュレーション時間ステップの流れ領域が定義されました．これらのシミュレーションにより，時間ステップごとにタンクの質量中心および流体によってタンク壁に加わる力とトルクを確認することができました．

Airbus 社のエンジニアは，設計プロセスの初期段階でFSI シミュレーションを利用し，代表的な宇宙船マヌーバの影響を受けるエラストマー膜の挙動をモデリングしまし

のソリッド要素を定義する表面を組み込むことができました．また，タンク壁は，ANSYS Mechanical モデルにも組み込んで，エラストマー膜と接触させました．このモデルは，計算量を減らすために全体の厚さが要素 1 個分になるようにしたため，実際には 2 次元シミュレーションでした．

Airbus 社のエンジニアは，FSI でタンクの充填を行おうと思えば可能でしたが，その代わりにシンプルで計算量の少ない手法をとりました．最初に，流体圧力ではなく機械的圧力を適用して，エラストマー膜をタンクの上部方向に変形させてから，この形状を流体モデルに適用しました．

FSIの結果タンク内の液体が部分充填レベルまで排出されたときのエラストマー膜の安定位置．


電化

ENGINEERINGE-MOTORS

ハイブリッド・電気自動車に最適なカスタムエンジンを開発

するには，複数の電子・機械部品を統合してシステムとして

設計し，テストする必要があります．トレードオフを特定

して選択することは容易ではありませんが，EM-motive 社は

ANSYS のシミュレーションソフトウェアと最適化ソフトウェア

「ANSYS optiSLang」を組み込んだマルチドメインワークフローを開発し，この課題に

取り組みました．

電動モータのエンジニアリング

Marc Brück（ドイツヒルデスハイム，EM-motive GmbH，シミュレーション技術担当シニアエキスパート）


ANSYS optiSLang 内で構築されて運用されたこのパラメトリックワークフローでは，ANSYS のシミュレーションソフトウェアとその他のソフトウェアツールを使用して，感度解析，設計最適化，設計のロバスト性評価を行うことができます．これらのワークフローは，EM-motive 社が厳しい時間・コスト要件を満たしながら電動モータを開発したり，カスタム設計の問題（エンジン設計に対する顧客の要求が開発プロセスの後期に変わるなど）を解決したりするのに役立っています．

一例を挙げると，ある顧客から，特定のエンジンの最大回転数を 1,000rpm 上げるように求められました．しかし，速度を加速させると，遠心力によってロータの設計に不具合が生じる可能性がありました．エンジニアは，ロータ積層体内に埋め込まれる磁石の収納孔のブリッジを厚くして，大きな遠心力に起因する応力に耐えられるようにしようと思いましたが，これを行うと，ロータ自体の漏れ磁束

自動車メーカー Daimler 社が 2011 年に世界最大手の自動車サプライヤー Bosch 社と合弁会社を設立した際，両社のシナジー効果は誰の目にも明らかでした．この合弁会社 EM-motive 社は，Daimler 社が持つ燃料電池とバッテリーに関するノウハウと，Bosch 社が電動モータの開発・生産に関して蓄積してきた知識の両方を活かして，電気・ハイブリッド自動車用の電気トラクションモータを設計し，製造しています．このモータは，モジュール化されているため，広範囲の車種にフィットさせて様々な自動車の仕様を満たすように構成することができます．EM-motive 社は 2012 年以降，電動のモータを 30 万台以上製造し，欧州全土のクライアント企業に提供しています．

このようにノウハウを融合させても，モジュール化されたエンジンの製造は複雑で困難です．主要な技術的な制約（コスト，モータの取り付けスペース，冷却，インバーター仕様の特性）のほか，各種のエンジンに対する顧客の要求はそれぞれ以下のような広範囲の物理領域にまたがっています．

熱力学：冷却材流量および温度，環境温度，巻線と磁石の温度構造力学：取り付けスペース，トルク，パワー，速度，他の部品に対する公差，軸受に作用する力電気工学：電圧，電流，インバーター仕様の特性効率および音響：空気・構造伝搬騒音

さらに問題を大きくしているのは，最適化するパラメータをすべて同時に考慮しなければならないということです．その他にも，NVH（騒音，振動，ハーシュネス），安全性，エンジンのコストなどの要素を考慮に入れる必要があります．

EM-motive 社のエンジニアは，こうした相互作用のある環境では，部品ごとに厳格な仕様を個別に設計してから組み立てる従来型の部品開発システムがもはや機能しないことに気づきました．その代わりに EM-motive 社は，部品間の動的な相互作用や，最適な解決策を特定して設計のロバスト性を確保するために必要なすべてのパラメータを考慮して，シミュレーションを包括的に組み込んだ設計ワークフローを開発しました．

が増加し，トルクとパワーが低下する恐れがありました．この問題を解決する選択肢の 1 つとして，巻線の電流を増加させることが挙げられます（ただし，バッテリーと電気系システムから得られる電流が多い場合に限られる）．しかし，この解決策は損失を増大させて効率を低下させるため，この顧客にとっては到底受け入れられるものではありませんでした．したがって，すべての要件に対応するにはエンジン全体を設計し直す必要がありました．

幸いなことに，EM-motive 社のシミュレーションワークフローは柔軟に調整でき，特定のエンジンの要件を解析したり，部品間のすべての動的な相互作用をシミュ

レーションしたり，設計判断を下すたびにトレードオフを顧客に確実に理解してもらったりするのに利用できます．このワークフローは，しばしば相反する目標の最良の妥協点を見つける土台となります．

3つの設計案が顧客の要求をどの程度満たしているかを示すレーダーチャート

電動モータの設計ワークフローには，図に示したすべての内部・外部部品を含めなければならない．

要件設計 A 設計 Bコスト制御パワー

制御トルク

制御速度

圧力降下

最大パワー

最大トルク

最大速度

寿命

ロータ慣性

質量

直径

長さ

ピークパワー

効率逆起 EMFピーク時の電流

トルクリップル

THD

オフセット

SNR

アイゲン周波数

アイゲンモード

サウンド圧力

材料

ロバスト性

取り付け

設計 C

ピークトルク

制御回路

制御ユニット

電子相互作用

循環と環境

IoTモノの

インターネット

xECU他の

電気制御ユニット

HTCUハイブリッド

トランスミッション制御ユニット

MCUモータ制御ユニット

BMSバッテリー

管理システム

車両とドライバーパワートレイン

パワートレイン CAN/ シャーシ CAN

電動けん引モータインバーターバッテリー

熱相互作用電気相互作用


デジタル探索に対応するワークフロー企画段階では，設計エンジニアが，CAD とリンクし

た ANSYS optiSLang ワークフローと専門的な電磁界 -熱解析ソフトウェアを利用して，顧客の要求を満たす可能性のある設計案とその公差を自由に探索することができます．これにより，設計エンジニアは顧客に迅速に回答できるようになり，顧客はこの回答を踏まえて，現行のモータで要求を満たせるか，それとも新しいモータの開発が必要になるかを判断することができます．

他の要件が加わる一連の反復段階では，関連するすべての物理領域で ANSYS のシミュレーションソフトウェアを用いて，新しいモータの設計と最適化を行います．

設計エンジニアがモータに対するパワーエレクトロニクスシステムの影響を解析する際には，システムシミュレータ「ANSYS Simplorer」との共有インターフェースを使用します．また，ANSYS DesignModeler と CADシステム間の双方向インターフェースを利用できるため，エンジニアはハウジングなどの補助形状のパラメータ化モデルを作成して，このモデルをシステム設計に組み込むことができます．設計者は，これらの ANSYS ソフトウェアを使用することで，特定のシミュレーション結果を別のシミュレーションの境界条件として適用することができます．さらに，ANSYS Maxwell による電磁界シミュレーションで求めた力を，ANSYS Mechanical

による構造機械シミュレーションの初期データとして用いることができます．ANSYS Workbench によってANSYS の様々なソフトウェアを連携させて使用し，電磁界・機械・熱力学・音響の各領域の完全な連成シミュレーションを行うことも可能です．

こうしたパラメトリックワークフローでは，関連する設計空間内ですべての重要な物理領域の感度解析を実施できるだけでなく，公差を求めることもできます．エンジニアは最適化ループをさらに追加することができますが，多くの分野の目標と制約の性質が相反するほか，システムシミュレーションのレベルでモータの挙動を迅速にチェックしなければならないため，次数低減モデル

（ROM）を抽出する必要があります．しかし，このチームは ANSYS Maxwell に統合されている等価回路抽出

（ECE）ツールキットや，ANSYS optiSLang に搭載されている，データに基づく ROM 作成機能を使用して，システム全体のシミュレーションに必要な次数低減モデルを抽出することができます．

システムのモデリングこれらの次数低減モデルを ANSYS Simplorer で連成す

ることにより，システム全体のシミュレーションを行うことができます．前述したように，パラメトリックワークフローは optiSLang 内で構築されていますが，必要に

Engineering E-Motors (続き)

設計を最適化する際には，3段階のワークフローを繰り返す．

「EM-motive 社は，部品間の動的な相互作用を考慮して，シミュレーションを包括的に組み込んだ

設計ワークフローを開発しました．」

モデル転送経路情報転送経路

企画段階システムエンジニアリング部品開発

要件

熱解析磁界解析

材料データ

パワーエレクトロニクスシステム + バッテリー

磁界解析

熱解析形状構造解析

音響解析

FMI によるモデルの交換とソフトウェアの連携

モデル次数低減（MOR）とシステムシミュレーション

トランスミッション，ギアボックス，

車両などのサードパーティモデル


アンシス・ジャパン株式会社ANSYS ADVANTAGE Vol.10 Issue 3　Motor　半頁（w210mm, h148mm）

http://www.ansys.com/ja-jp/products/electronics/electric-motors

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ご覧いただけます

ANSYS のモータ設計ソリューションは、モータ機器の特性解析から制御回路、インバータ等周辺回路まで含めた

モータ設計統合環境を提供します

ANSYSのシミュレーションソフトウェアで電化革命を推進（英語）ansys.com/electrification

応じて，トランスミッションモデルや完全な車両モデルなどの他のサードパーティモデルも組み込むことができます．この時点まで来ると，エンジニアがシステムの最適化ループを実行してしまえば，コントローラーなどのパラメータを変更しながら部品間の相互作用を解析することができます．

最後に，上記のモデルと，外部のサードパーティが設計した他のエンジン部品のモデルを交換できるようにするために，設計者が業界標準の FMI（Functional Mock-up Interface）を使用して，各部品のモデル，すなわちFMU（Functional Mock-up Unit）を作成します．サードパーティソフトウェアで作成されるこれらの FMU は，知的所有権を保護しながら簡単に交換できます．この FMUには，標準化された入出力データしか含まれないため，製品固有のノウハウにアクセスできるのは，そのメーカーだけです．FMU のもう 1 つのメリットとしては，現在の様々なシステムシミュレーション用ソフトウェアパッケージにインポートできる FMU によって，顧客や開発パートナーのシミュレーション環境に電子機械などの挙動を 1 つの部品として表現できることが挙げられます．

設計案の理解最後の課題は，様々な設計案とこれらのトレードオフ

を顧客が明確に理解できるように最適化後の設計をプレゼンテーションすることです．EM-motive 社は，要件を標準化値として使用して，すべての性能指標を無次元変数に変換し，1 つのレーダーダイアグラムを作成しまし

た．このダイアグラムは，すべての物理領域とこれらの要件を，背景に色の付いた円グラフで分かりやすく示し，それらの領域を明確に表しています．レーダーダイアグラム内の 100% 基準円の外側にある点は，設計要件を満たしていることを意味します．また，このダイアグラムを見れば，物理領域間の相互作用を容易に確認することができます．たとえば，設計を修正して音響を改善する必要がある場合は，効率への実質的にネガティブな影響が明確に示されます．このチャートにより，変更した設計それぞれにどのような長所・短所があるか，またこの設計が独自の要件をどの程度満たしているか（または満たしていないか）を包括的に把握することができます．

現在の様々な複雑なプロセスと同様，エンジン設計プロセスを成功させるには，協調的で体系的な手法が必要です．EM-motive 社の体系的なエンジン設計手法は，取引先の自動車メーカーが厳しい時間・コスト制約の中で次世代のハイブリッド・電気自動車を開発できるよう，ANSYS のパラメトリックシミュレーション環境と革新的なプレゼンテーション手法を統合しています．

本稿は，CADFEM Journal 誌の編集チームによるインタビューから編集したものです．


ソリューション

物理条件をインタラクティブに扱って設計案をリアルタイムで探索することが初めて可能になりました．革新的なシミュレーションソリューション「ANSYS Discovery Live」を導入すれば，流体・熱・構造・モーダル解析を実行して設計探索と仮想実験を

早期に行うことができます．また，設定，解析，ポスト処理にかかる時間をほぼゼロに短縮し，シミュレーションをこれまで以上に迅速かつ容易に行えるようになり

ます．ANSYS Discovery Live は解析の専門家ではない

エンジニアを対象としています．こうしたエンジニアが ANSYS Discovery Live を使用すれば，シミュレーションが自動的に設定されるので，製品の設計

と物理現象に集中して取り組むことができます．多くの設計案の可能性を探索したいと考えている専門家以外のシ

ミュレーションユーザーにとって Discovery Live を非常に価値あるものにしている重要な特徴として，使いやすさ，速度，インタラクティブ性が

挙げられます．シミュレーションと設計探索はリアルタイムで行われ，エンジニアが条件を変更すると，シミュレーションプロセスが中断されたり再開されたりすることなく，すぐにシミュレーション結果が更新されます．これにより，設計の実験をリアルタイムで実施した場合と同じ効果が得られます．エンジニアは，解析タイプの切り替えの判断，

流量，材料の種類，入口圧力などの境界条件を変えても，エンジニアリングの知見と傾向を瞬時につかむことができる．

Justin Hendrickson（ANSYS，製品管理担当ディレクター）

Real-Time Simulation Revolution

ANSYS DISCOVERY LIVE:

革新的製品である ANSYS Discovery Live を利用すれば，数時間

または数日かかっていたシミュレーションを瞬時に行うことが

できます．エンジニアは，形状をインポートした後，ハイパフォーマンス

コンピューティングシステムを使用せずに，数秒でシミュレーション

結果を確認できるようになります．これは，並列動作する数千個の

プロセッサを搭載したグラフィックスカード（GPU）によって

すべての計算が処理されるからです．エンジニアは，シミュレーションを中断する

ことなく，設計と物理条件を変更して結果を即座に確認できます．また，このインタ

ラクティブ性と瞬時のフィードバックを活かして，設計プロセスのデジタル探索段階の

早期に多くの変数を試してみることもできます．これは，競争の激しい市場で製品開発を

成功させる上で極めて重要な意味を持ちます．

ANSYS Discovery Live：革新的なリアルタイムシミュレーション


Departments

形状の迅速な修正，結果表示方法の変更をすべてリアルタイムで行うことができます．

リアルタイムシミュレーションを実現する GPUDiscovery Live を実現した一因として，GPU（Graphical

Processing Unit）の計算能力が劇的に向上し，CPU のパワーを上回ったことが挙げられます．最新の GPU は，スーパーコンピュータの演算能力と速度に迫り，シミュレーションを数時間ではなく数秒で終わらせることができます．GPU は，

CPU とは桁違いの計算能力を備えています．現在 500 ドルで販売されている GPU カードには，並列動作するプロセッサが数千個搭載されているのに対して，価格が同程度の CPU カードのプロセッサ数は 8 個です．個々の CPU コアは GPU よりも多少高速ですが，ANSYS では，シミュレーション結果を数分，数時間，数日ではなく数秒で得られるようにするため，GPU の計算能力の大幅な向上を活かして，1,000 倍の高速化を図ることにしました．

「Discovery の速度と使いやすさに驚きました．解析が数時間ではなく数分で終わるのです．

初めての解析でも 15 分以内に終わらせることができます．」— Travis Jacobs氏（Jacobs Analytics，創立者兼社長）

結果の表示方法を選ぶことができる．図は，パイプの中を流れる気体流の流線を示したもの．


ANSYS Discovery Live (続き)

超並列ソルバーに対応するソフトウェアを開発CPU を想定して開発されたソフトウェアは，GPU 上では自動的に実行されません．

ANSYS のエンジニアは，GPU アーキテクチャ上でネイティブに動作する新しいソルバーを一から開発しました．最初に，ANSYS

の製品ラインのバックボーンとして実績と信頼性のある数値解析法を GPU の超並列アーキテ

クチャに適応させました．そのためには，

GPU の莫大な計算能力を活かす新しい独自のアル

ゴリズムと手法を考案しました．現在では，CPU の進化が鈍っているのに対し，GPU が

ムーアの法則の予測よりも速いペースで進化しているため，Discovery Live のベースを GPU に置くことにより，この先何年も速度と計算能力の向上が保証されます．もう1つの鍵は，ANSYS SpaceClaimをDiscovery Liveのプラットフォームとして組み込むことでした．Discovery Live では，SpaceClaim のすべての形状作成・修正ツールを利用できるため，エンジニアは様々な 3 次元モデルを作成してシミュレーションを実行できるだけでなく，シミュレーションを実行しながら，モデルを修正することも可能です．しかも，モデルの修正が終わると，リメッシュすることなく，瞬時に結果が更新されます．シミュレーションによって 3 次元設計を推進するには，設計者がシミュレーション内で編集作業を行って設計を改善できるようにすることが重要です．

モデルの複雑さはもはや重要ではないDiscovery Live を使用すれば，冷却流路と数万ものフェースから成るエンジンブロッ

ク全体の構造シミュレーションを数秒で行うことができます．ユーザーは材料を選択し，燃焼が起こって大きな力が発生するピストンシリンダーフェースなどに荷重を加

えれば，数秒でエンジンの 3 次元ボリューム全体の応力を確認することができます．シミュレーションの変形結果をワンクリックでアニメーション表示することもできます．

数万ものフェースから成る複雑なエンジンブロックを迅速に解析できるのはなぜでしょうか？その答えは，形状の複雑さが解析時間にとって重要な要素ではないということです．Discovery Live によるシミュレーションを決定する要素は主に，解析する形状の体積であって，形状の複雑さではありません．

Discovery Liveの速度（英語）ansys.com/speed

1,300個のパーツから成るモーダルシミュレーションを30秒で解析することができる．

「これは，私がこれまで見てきた中で最も高速で使いやすく，直感的な CFD ソフトウェアです．パラメトリックモデルを作成してから，メッシュ生成をスキップして，妥当な結果をリアルタイムで確認できるなんて，通常では考えられません．

また，コンポーネントをリアルタイムで修正できるため，設計反復の間隔が短縮され，これまでにないスピードで設計を検討できます．」

— Waylan Elmenhurst氏（4D RD&D社，創立者兼社長）

3次元の熱シミュレーションを瞬時に行って，流体の混合を確認できた．


Discovery Live の 4 つの重要な強み1）速度．　シミュレーションが非常に高速で，リアルタイムで行われているように見えます．このような速度を実現し

ているのが，GPUの計算能力とANSYSの効率的なアーキテクチャの融合です．2）使いやすさ．　メッシュ生成がなくなり，このソフトウェアがシミュレーションのすべての設定判断を行うため，ユ

ーザーはソルバーにとらわれることなく物理現象に集中して取り組むことができます．3）新しい手法．　低品質のCAD形状やファセットデータ（STLファイルなど）のシミュレーションにも対応する新し

いシミュレーション手法を採用しています．この新しい手法を使用すれば，モデルの複雑さに起因する解析速度の低下を回避できます．

4）インタラクティブ性．　エンジニアはインタラクティブな機能を利用することで，物理条件，形状，結果表示を瞬時に変更し，アイデアが浮かぶのと同じ速さでアイデアを探索することができます．

精度をほとんど損なうことなく，柔軟性を獲得Discovery Live では，所定のシミュレーションで，速度と精度のいずれを優先するかを選択

できます．これによって，解像するフィーチャーの最小サイズが設定されるため，ユーザーはシミュレーションの速度と精度の間でトレードオフを図ることができます．

エンジニアが Discovery Live のインタラクティブ性と速度を活かせば，開発プロセスの初期段階で設計案の探索をこれまでになく柔軟に行うことができます．この柔軟性によって，より多くの可能性を短時間で調査できるようになるため，新しいアイデアや画期的手法を発見して洗練させ，さらに発展させることができる可能性があります．Discovery Liveは，方向性を示すソリューションであり，特定のパラメータや形状フィーチャーを変更することによって設計が望ましい方向へ進むかどうかを提示します．エンジニアは，Discovery Live で有望な設計を特定した後には，ANSYS Mechanical，ANSYS CFD，または Discovery AIM にこの設計をシームレスにエクスポートしてシミュレーションを実行し，精度と忠実度の高い結果を得ることができます．

百聞は一見にしかずANSYS では，専門知識のレベルに関係なく，すべての

エンジニアがメリットを享受できるよう，Discovery Liveを提供してシミュレーションを全く新しい方向へと導いています．シミュレーションの結果をほぼ瞬時に確認できるため，今後のエンジニアリングシミュレーションの活用方法が飛躍的に進歩します．従来は入手できなかったリアルタイムの結果を製品開発プロセスの早期に活用して，開発プロセス後期の設計変更に伴う高額な費用負担を回避することもできます．さらによいことには，Discovery Live のインタラクティブ性を利用して，多くの設計案を試してみることができます．広範な試みを早期に行うことで，従来のプロセスでは見逃されていたかもしれない斬新な設計を発見し，画期的な製品を開発する可能性が開けるのです．ANSYS Discovery Live という名前の由来はここにあります．この名前は，すべてのエンジニアがリアルタイム実験の技術を用いて，次のビッグアイデアを発見し，活用できるようになることを意味しています．

「エンジニアリングの上級学位を取得していなければ，CFD モデリングを行えないと思っていました．私は Discovery Live を数時間操作しただけで，

構造シミュレーションを完璧に行うことができました．直感的な UI を通じて，簡単に使用できたため，解析プロセスがスムーズに進みました．」

— Olivia Lim氏（Airloom Energy社，材料/構造エンジニア）

Discovery Liveでは，車体周りの外部気流から，同じ車体に作用する機械的応力へと解析タイプの切り替えを数秒で簡単に行うことができる．


ソリューション

Astec Industries 社では，アスファルト生産用の骨材乾燥機の効率向上に取り組み続け，この成長産業における顧客のエネルギー消費量削減とエネルギーコスト節約に貢献しています．運転中の骨材乾燥機のドラムを直接観察することは困難であるため，シミュレーションを利用して新しい設計を試してみる絶好の機会が生まれます．Astec 社では様々な連続式およびバッチ式のアスファルト混合装置を提供しており，中には骨材を液体アスファルトと確実に接着させるために 1 時間当たり数百トンの湿潤骨材を乾燥させる回転ドラム式骨材乾燥機が含まれます．ドラムの内部では，フライトと呼ばれる特殊な形のスコップが骨材を常に移動させ，湿潤材料を落下させてベールを形成して，バーナーによる燃焼生成物で加熱しています．Astec 社がこのような複雑な製品およびプロセス

アスファルトプラントの性能は，様々なプロセスの相互作用に依存します．Astec 社では，こうした各種のプロセスを正確にシミュレーションする能力を大幅に向上させてきましたが，多くの場合，これらのシミュレーションによって

大量に生成された種々異なるデータが当面の設計上の問題の解決に有効かどうかを把握することは容易ではありません．Astec 社では，様々な

シミュレーションソフトウェアと各設計案から得られた結果を統合することで，こうしたデータを解釈しています．ANSYS EnSight を使用して，

アニメーション，グラフ，説明文を 1 つの合成画像にマージすれば，意思決定者は，この画像から，製品の性能を向上

させるために知るべきあらゆる情報を得ることができます．

有意義な結果の生成

Meaningful Results

Andrew Hobbs（米国チャタヌーガ，Astec, Inc.，チーフCFD/DEMエンジニア）


をシミュレーションする能力は，大幅に強化されてきました．これは，精度向上の続く一連の物理モデル，実現象の理解を深めるために異なる物理場のシミュレーションを統合する機能，設

計空間の探索プロセスを自動化する設計探索ツール，ハイパフォーマンスコンピューティング（HPC）を併用したためです．

多くの場合シミュレーションエンジニアには，複雑な製品のシミュレーションを成功させてからも，結果をフィルタリングして整理し，設計判断を下すエンジニアと管理者に最も重要で意義

のある情報を提示するという課題が残されています．Astec 社では，この課題に取り組むため，ポスト処理ソフトウェア「ANSYS EnSight」を使用し，様々なソフトウェアパッケージ，物理場，

設計案，動作条件などから得られた各種の結果を統合して相互作用を確認し，設計上の問題を明確にしています．シミュレーションユーザーは EnSight を利用して，関連性のある結果を 1 つの

画像にまとめることで，どうしたら製品を改善できるかを簡単に把握できます．

骨材乾燥機のシミュレーション結果のプレゼンテーションAstec 社の骨材乾燥機の性能は，乾燥機に入る空気を

加熱するバーナーの動作，乾燥機内の気流パターン，乾燥機の様々な位置における空気の温度と湿度，乾燥機内

でフライトによって駆動される粒子の運動に依存します．Astec 社では，ANSYS Fluent を使用して，バーナーと，

乾燥機内の気流をシミュレーションするとともに，離散要素法モデリング（DEM）ソフトウェア「EDEM」を用いて，乾

燥機内の粒子の流れを可視化しています．Astec 社は過去 10年の間，粒子シミュレーションと流体シミュレーションを統合する能力を高めており，粒子相と液相の間で運動量，質量，熱を双方向に転送することで，精度を大幅に向上させてきました．この 2 種類のシミュレーションによって，粒子と気体の挙動に関する情報が大量に生成されます．多くの場合，こうした莫大な量のデータを生のまま見ても，乾燥機の性能を向上させるために何ができるかを判断することは容易ではありません．

このため，Astec 社のエンジニアは EnSight を使用し，2 つのソフトウェアパッケージで得た結果をグラフにまとめてから，このグラフによって，流体と粒子の流れの相互作用が様々な設計案の性能に与える影響を確認しています．あるケースでは，シミュレーションエンジニアがより大きな成果を得るために 2 種類の情報を組み合わせました．粒子がドラム内を移動するときに，水の質量分率がどの程度低下するかを示すプロットを，空気がドラム内を逆方向に移動し，粒子から蒸発した水蒸気を吸収したときに空気の相対湿度がどの程度上がるかを示すもう 1 つのプロットに重ね合わせました．また，ドラム内の粒子の温度を示すグラフを作成し，乾燥機内の気体温度を示す画像に重ねました．これらのグラフにより，設計エンジニアは，粒子と流体の流れの物理場が相互作用することによって乾燥機の性能にどのような影響が及ぶかを把握できます．さらに，気体がより高温で乾燥している領域に粒子を向かわせてバーナーのエネルギーをフルに活用できるようにするなど，性能向上とエネルギー消費量削減につながる改善に取り組むこともできます．

バーナーのシミュレーション結果のプレゼンテーション空気が乾燥機の中に送り込まれる前に空気の温度を上昇させるバーナー

も，エネルギー効率に大きな影響を与えます．Astec 社のシミュレーションエンジニアは，CFD ソフトウェア「ANSYS Fluent」を使用して，設計案の性能を評価しています．あるケースでは，Fluent を用いて，5 インチと 2.5 インチの 2 種類のバーナーコーンを通過する流れを比較しました．エンジニアは，流体解析の結果に 2 つのグラフを挿入して性能

ANSYS EnSightでは，粒子の温度（左上），粒子における水の質量分率（右上），気体の温度（左下），気体の質量分率（右下）など，骨材乾燥機の様々なシミュレーション結果を統合できる．


ANSYS EnSightによるシミュレーションデータの解析，可視化，やり取り（英語）ansys.com/intro-ensight

「エンジニアは ANSYS EnSight を使用することで，極めて重要なシミュレーション結果を組み合わせて合成画像を作成できるだけでなく，

この画像から最大限の知見を得て設計の意思決定者に提示することもできます．」

の差をまとめました．そのうちの 1 つ目のグラフは，2 つの設計案における垂直軸上の速度の大きさ（軸方向成分，動径成分，接線成分の組み合わせ）を比較したものであり，2 つ目のグラフは，両方の設計案における垂直軸上の最大接線速度を示したものです．極めて重要な結果と説明文の両方を効果的に配置したことで，迅速かつ適切な設計判断につながりました．

アスファルトプラントの稼働に不可欠である骨材乾燥機の効率アップは，この乾燥機の動作寿命期間中の運転コストの低減と排出ガスの削減に直結します．シミュレーションを行えば，実機試験にかかるコストとリードタイムを回避しながら，乾燥機をより深く正確に理解できます．

シミュレーションエンジニアはポスト処理ソフトウェア「ANSYS EnSight」を使用することで，極めて重要なシミュレーション結果を組み合わせて合成画像を作成できるだけでなく，この画像から最大限の知見を得て設計の意思決定者に提示することもできます．これにより，製品の性能向上につながる的確な設計判断が行われることになります．

Meaningful Results (続き)

ANSYS EnSightを使用して，流体解析の結果に，速度と動径方向位置の関係を表すチャートを挿入した．

ANSYS EnSightの概要

ポストプロセッサ「ANSYS EnSight」は，エンジニアがCFDシミュレーション，FEAによる衝突シミュレーション，電磁界シミュレーション，DEMシミュレーション，剛体シミュレーションなどのデータ

を用いて適切な判断を下すのに役立ちます．この独自のポスト処理ソフトウェアには，以下の特徴があります．

• フォトリアリスティックな出力による極めて高品質な画像/アニメーション解像度• 同時に最大32個のモデルを読み込み，様な々データソースやソルバーによる結果を比較可能

また，ANSYS EnSightを使用すれば，以下のことが可能になります．• 複数のソルバーでシミュレーションした結果の比較や．同じソルバーで複数のシミュレーションを行った結果の比較

• 流体-構造連成解析および最適化のポスト処理• 動画，写真，試験データを入力し，シミュレーションと比較評価

• 日中にバッチ/インタラクティブ処理で探索を実行し，夜間にEnSightがバッチのポスト処理を完了

• 複数のビューポートを表示して全体の概要と詳細を同時に確認したり，複数のモデルを同時に調査したりするだけでなく，複数の表示をリンクさせ，様な々観点での比較を容易に行うこと

も可能• セル数が10億個以上の問題の効率的な解析および可視化

EnSightでは，オプション機能として，巨大なデータセットを使用する大規模で複雑な過渡・非定常シミュレーションを迅速に可視化・アニメーション表示することも可能です．


ベストプラクティス

シミュレーションによって設計が問題なく機能することが確認できても，

シグナルインテグリティ問題が原因で設計が実際には適切に機能しない

ことがよくあります．これは，製造時の製品と設計定義の不一致に

よるものです．シグナルインテグリティエンジニアがこの問題を

回避するには，実際に納品される製品について把握するとともに，

シミュレーションを利用して，納品される製品の周波数領域・時間

領域の性能が設計要件を満たすかどうかを検証する必要があります．

シミュレーションを行えば，設計通りのビアと製造したビアの違いに

よってプリント基板の時間領域・周波数領域の性能がどのように低下

するかという疑問を解決することができます．

Rick Rabinovich（米国カラバサス，Ixia社，

シグナルインテグリティハードウェアアーキテクチャ）

設計の複雑さを管理可能なレベルに抑えるため，多くの場合，エレクトロニクス製品の初期設計は，製品の形状が，CAD システムで定義された完璧な形状に一致するといった，単純化された一連の仮定に基づいて行われます．言うまでもなく，このような完璧な形状を製造プロセスで製作することはできません．少なくとも，顧客が支払ってもよいと思う価格では不可能です．それでも製品は性能要件を満たさなければなりません．電子理論はあまり役に立ちません．なぜならば，この理論はCAD システムで定義された完璧な世界しか想定していないからです．物理実験を行えば，こうした問題を解決できますが，多額の費用がかかります．それに加えて，様々な仕様に合わせて製品を製作するために，リードタイムが長くなります．一方，シミュレーションでは，完璧な世界と無数のよりリアルなシナリオの両方をモデリングして，製品が期待通りの性能を発揮するかどうかを確認し，現実的な解決策を策定することができます．

たとえば，信号層間の配線を相互に接続するプリント基板ビアは，コンピュータ支援設計（CAD）システムではほぼ常に充填ビアとして定義されます．プリント基板をシミュレーションするときには，シミュレーションモデルは，通常は，設計定義と一致したものになります．しかし，実際には，多くのプリント基板メーカーがプリント基板に穴を開けてから，1 ～ 2 ミルの厚さに銅を堆積させてこの穴を電気めっきすることで，ビアを形成しています．この穴の真ん中は空の場合もあれば，充填ペースト，銅破片，またはこれらを混合したものが入る場合もあります．そのため，シグナルインテグリティに関する重大な疑問が浮上します．設計定義と製造プロセスの不一致によって，製品の性能には悪影響が及ぶでしょうか？

一般に，エンジニアはビアが充填ビアであろうと中空ビアであろうと気にしません．これは，導体の形状

GETTING ON BOARD WITH

プリント基板上のビアを調査


シミュレーション3：ペーストが充填されているビアの周波数領域・時間領域の性能

に関係なく，高周波電流は表皮効果によって導体の外側表面を流れると考えているからです．表皮深さの計算式を使用することで，導体の表面から中心部にかけての電流密度の低下を定量化することができます．この計算式により，周波数が 500MHzの場合，電流の 99% が導体の外側表面から深さ 0.6 ミル未満の部分を流れることが分かっています．この 0.6 ミルという数値は，大半の基板製造プロセスで指定されている最小銅めっき厚（1 ミル）をはるかに下回ります．それでは，中空ビアと，充填ビアを有する各プリント基板は，同じ性能を持つことになるでしょうか？

この疑問に答えることは容易ではありません．なぜならば，プリント基板メーカーは，多くの場合，直径が所定の仕上がり穴径よりも 1 ～ 3ミル大きいドリルビットを使用し

てビアを開けているという事実があるからです．プリント基板メーカーはビアを開けた後に，穴の内壁を 1～ 2 ミルの導電材料でめっきしてから，内部を空洞のままにするか，あるいは何らかの非導電材料で満たします．めっきプロセスの不備が原因

で何らかの導電材料のめっき残渣が穴の中に残ることもあります．たとえば，ビアの所定の仕上がり穴径が10 ミルだとすると，外径が 11 ～ 13ミル，内径が 10 ミルの中空ビアが作成されます．

論理的には，ビアの直径が大きいと，ビアの外壁とこれに隣接する電源プレーン端部がより近接し，ビアとこれに隣接する電源プレーンの間の寄生容量が増加すると推定できます．これによる信号劣化量は，ビアの構造と周辺領域の特性（電源プレーンの数や近接性など）によって決まるため，この劣化量を一般的な数として定量化したり，経験則で定義したりすることはできません．インピーダンスが減少すると，リターンロスが大きくなり，その結果，チャネルの帯域幅の減少と，立ち上がり時間の増加が見られ，アイダイアグラムの目が閉じることになります．

シミュレーション1：充填ビアの周波数領域・時間領域の性能シミュレーション2：空気が入っているビアの周波数領域・時間領域の性能

シミュレーション4：直径を大きくしたビアの周波数領域・時間領域の性能

差動電界の大部分はビアの外側表面に分布し，内部電界強度は最小限となる．

Getting on Board with Vias (続き)


Ixia 社のエンジニアは，ANSYS HFSS を用いてプリント基板のシミュレーションを行いました．その際には，以下の 4 種類のビア構造を想定しました．• シミュレーション 1：一般的な設

計仕様と一致する外径 10 ミルの充填ビア

• シミュレーション 2：空気が入っている外径 10 ミル，内径 8 ミルの中空ビア

• シミュレーション 3：ペーストが充填されている外径 10 ミル，内径 8 ミルのビア

• シミュレーション 4：空気が入っている外径 12 ミル，内径 10 ミルの中空ビア（設計がシミュレーション 1 と同様に指定されたときに製造される一般的なビア）この 4 種類のシミュレーショ

ンの解析はいずれも，25Gb/s のEthernet 差動信号のナイキスト周波数（12.89GHz）で行われました．これらの例では，差動ストリップラインペアが，レイヤー 25 とレイヤー 27 の各グランドプレーンに挟まれたレイヤー 26 上に配置された多層プリント基板構造が使用されました．このプリント基板の最上層に配置された複数のパッドとグランドの間に，Lumped Port から成る差動ポート P1 が設けられました．パッドはビア上に配置されました（via-in-pad）．第 2 差動ポート P2 は，Wave Port として，レイヤー 26 上の差動ストリップラインとこれに隣接するグランドプレーンの間に設けられました．

表に示したシミュレーション結果を見て分かるように，インサーション

ロス，リターンロス，差動インピーダンスに関しては，表皮効果理論による予測通り，シミュレーション 1，2，3 の間であまり差がありません．また，最低レベルでの差動インピーダンスに関しても，シミュレーション 1，2，3 の間で大差ありません

（92.535 ～ 92.708 Ω）．一方，シミュレーション 4 では，ビアの壁と電源プレーン端部の間の間隔が狭いことが原因で寄生容量が増加し，インサーションロスの増大，リターンロスの低下，差動インピーダンスの減少が見られます．シミュレーション 4 が実際の製造プロセスを最もよく表していることを考えると，これらの結果は注目すべきものと言えます．

つまり，穴に何も入っていない場合，銅が入っている場合，ペーストが充填されている場合のいずれでも，ビアの外壁の直径が一定であ

「穴に何も入っていない場合，銅が入っている場合，ペーストが充填されている場合のいずれでも，

ビアの外壁の直径が一定である限り，周波数領域・時間領域の性能は変わりません．」

ANSYS HFSSの特徴ansys.com/hfss

インサーションロス（12.89GHz）

リターンロス（12.89GHz）

最低レベルでの差動インピーダンス

シミュレーション 1 –0.3835 dB –23.0445 dB 92.535 ohms




インサーションロス，リターンロス，差動インピーダンスに関しては，表皮効果理論による予測通り，シミュレーション1，2，3の間であまり差がない．一方，シミュレーション4では，インサーションロスの増大，リターンロスの低下，差動インピーダンスの減少が見られる．

る限り，周波数領域・時間領域の性能は変わりません．これは，表皮効果によって電流の 99% が中空ビアの外側表面を流れるからです．一方，シグナルインテグリティエンジニアは，製造時のビアの直径が仕様よりも 1 ～ 3 ミル大きくなる一般的なケースで性能が大幅に低下する可能性があることを認識しなければなりません．また，プリント基板メーカーと情報交換し，このメーカーの製造プロセスを把握する必要もあります．その後，シミュレーションを使用することで，基板製造前にシグナルインテグリティの観点から製造時の設計の性能調査を行うことができます．


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SPOTLIGHT ON ELECTRONICS AND …/media/ansys/ja-jp/pdf/...力学（CFD：Computational Fluid Dynamics）ソフトウェアを 使用しています． クリーンな内燃機関技術で改良を行うには，燃料と気体の混合，点火，お

SPOTLIGHT ON ELECTRONICS AND …/media/ansys/ja-jp/pdf/...力学（CFD：Computational Fluid Dynamics）ソフトウェアを使用しています．クリーンな内燃機関技術で改良を行うには，燃料と気体の混合，点火，お