研究活動

アンテナと電磁界の数値解析法

画像クリックで拡大表示

    図1　リフレクトアレーによる電波環境の改善


    波長に比べて大きなモデルの電磁界数値解析には，莫大な計算時間と計算機 メモリが必要となる．したがって，大規模なモデルの電磁界数値解析には， 高速化が不可欠であるが，計算時間と精度のトレードオフが大きな問題となる． 本研究では，直接法を利用した高速モーメント法の1つであるCharacteristic basis function method (CBFM)を高精度化・高速化した，より効率的な手法を開発する．

    Numerical analysis of a large-scale problem requires long CPU time and large computer memory. Therefore, various fast numerical analysis techniques have been introduced. One of the most interesting problems is to develop an efficient fast numerical analysis technique. In this research, a novel characteristic basis function method (CBFM), which is one of the fast MoM techniques based on a direct solver, is developed.



    図2　衛星通信用平面型リフレクトアレー


    波長に比べて大きなモデルの電磁界数値解析には，莫大な計算時間と計算機 メモリが必要となる．したがって，大規模なモデルの電磁界数値解析には， 高速化が不可欠であるが，解析モデルによって計算コストが異なることが 大きな問題となる．本研究では，反復法を利用した高速モーメント法の1つである Conjugate gradient-fast multipole method (CG-FMM)の計算コストと解析モデルとの 関係を明らかにする．

    Numerical analysis of a large-scale problem requires long CPU time and large computer memory. Therefore, various fast numerical analysis techniques have been introduced. One of the most interesting problems is that the computational cost of these techniques depends on an analysis model. In this research, computational cost of a conjugate gradient- fast multipole method (CG-FMM) which is one of the fast MoM techniques based on an iterative solver, is clarified for various analysis models.



    図3　基地局用多帯域アンテナ


    大規模アレーアンテナは，無線通信システムや宇宙からの無線電力伝送システム， レーダーなど，様々な用途に用いられる．大規模アレーアンテナの特性は， 端効果や基板上の表面波，素子間相互結合，給電分布等に大きな影響を受ける． したがって，その数値解析には高い精度が求められる一方で，解析時間を削減する ための高速化も求められる．そこで本研究では，大規模アレーアンテナの効率的な 数値解析法の構築を行う．

    A large-scale array antenna has been used for various applications such as wireless communication systems, wireless power transfer systems from space and radars. The performance of the large-scale array antenna is affected by edge effects, surface wave on a substrate, mutual coupling between elements, and feed distribution. Therefore, numerical analysis techniques for the large-scale array antenna are expected to show high accuracy. On the other hand, CPU time for numerical analysis must be reduced. In this research, a novel efficient and powerful numerical analysis technique for the large-scale array antenna is developed.



    図4　誘電体近傍アンテナの数値解析法


    人体やプリント基板，水などの誘電体は，アンテナ特性に大きな影響を与えることが知られている．そのような誘電体近傍にあるアンテナをモーメント法で解析する場合，誘電体のモデル化や計算時間の削減など，様々な課題がある．本研究では，誘電体近傍アンテナのためのモーメント法の高精度化・高効率化を図る．

    It is well known that dielectric materials such as human body, printed substrate, and water affect the performance of an antenna. The most challenging problems for numerical analysis of antennas in the vicinity of the dielectric material using method of moments (MoM) are modeling of dielectric materials and how to reduce its CPU time. In this research, a novel MoM for the antennas in the vicinity of the dielectric object is developed.



    図4　並列・ベクトル演算を活かした電磁界数値解析の高速化


    近年，マルチコアCPUやGraphic Processing Units(GPU), ベクトル型スーパー コンピュータ等，様々なハードウェアが電磁界数値シミュレーションの高速化に 活用されている．これらのハードウェアは，それぞれ異なる特徴を持っており， その能力を最大限に活かして高速化するためには，ハードウェアの特徴を踏まえた 計算アルゴリズムの構築が不可欠である．本研究では，電磁界の数値解析のための GPUやスーパーコンピュータ向け高速化アルゴリズムの検討を行う．

    Recently, various computing resources such as a multicore CPU, graphics processing unit (GPU), and vector supercomputer have been used to reduce the CPU time of numerical simulation. An algorithm of numerical simulation must be optimized for these computing resources because these computing resources have different hardware structure. In this research, an efficient algorithm of numerical EM simulation for the GPU and supercomputing resources are developed.

ページの上へ