JP2002340954A - 車両用ガラスアンテナ性能解析方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 曲面形状を有する車両用の窓ガラス板に設け
られるアンテナ近傍の電磁波シミュレーションを正確に
行ってアンテナ導体の性能を正確にシミュレーションす
る。 【解決手段】 アンテナ導体２２が設けられている処理
セルの集合Ａについてそれぞれの処理セル周縁部の静電
界の値を準静電磁界近似法により求め、静電界の値を用
いて処理セルの集合Ａについてそれぞれの処理セル内の
表面の磁界の値をＣＰ法により求め、処理セルの集合Ａ
を除いた複数の処理セルについて電界の値及び磁界の値
を有限差分時間領域法により求めて車両用ガラスアンテ
ナの性能を解析する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車両の窓ガラス板
に設けられる例えば線状のアンテナ導体の周囲の電磁波
解析をしてガラスアンテナの性能を解析する車両用ガラ
スアンテナ性能解析方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、新規のアンテナを作製するに
際して、アンテナ周囲の電磁界状態を解析するための電
磁波シミュレーションプログラムを使用して、アンテナ
のインピーダンスやゲイン等の受信及び送信性能をシミ
ュレーションすることが行われていることが知られてい
る。この電磁波シミュレーションプログラムを使用した
装置の一例としては、例えば、特開平１１−３５２１６
６号公報では、微細な構造を有するシミュレーション対
象物の電磁波解析を高速に行うことができるようにする
ものが開示されている。

【０００３】従来より、車両のガラスアンテナの受信及
び送信性能をシミュレーションするためには、モーメン
ト法やＦＤＴＤ（Finite Difference Time Domain）法
が使用されていた。

【０００４】このＦＤＴＤ法は、電磁波の過渡的な挙動
を、電子計算機を使用した数値シミュレーションによっ
て解析する方法の１つであって、有限差分時間領域法と
呼ばれている。この方法は、マクスウェル方程式を時間
と空間とについて一次差分公式を用いて電磁界値を求め
る手法であって、その適用範囲の広さ等から広く用いら
れている手法である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来のモーメント法による電磁波解析では、車両用の窓ガ
ラス板が誘電体であるために、解析精度に対する誘電体
依存性が顕著となり、ガラス材料特性がわずかに異って
もインピーダンスが大きく異なるという、実際と反する
解析結果となってしまい、ガラスアンテナの性能を解析
することが実用上不可能となる問題点がある。

【０００６】また、前記従来のＦＤＴＤ法を用いた電磁
波シミュレーションでは、誘電体材料には依存せずに高
精度に解析できる利点があるが、曲線形状を有する車両
用の窓ガラス板にガラスアンテナを設けた状態でシミュ
レーションをすると、車両用の窓ガラス板の曲線形状に
よってそのシミュレーション結果が異なる問題点があ
る。

【０００７】すなわち、ＦＤＴＤ法では、シミュレーシ
ョン対象のガラスアンテナを直交処理セルに分割した場
合、車両用ガラス板が曲線形状となっているためにガラ
スアンテナが各処理セルを斜めに横切ってしまう。その
結果、ＦＤＴＤ法では、直交セルでの電磁界状態を本来
シミュレーションする手法であるために、本来のガラス
アンテナ近傍に対して階段的に電磁界解析をする、所謂
階段誤差が生じる。

【０００８】この階段誤差を小さくするためには、各処
理セルサイズを実際のガラスアンテナ径に応じた処理セ
ルサイズとするようにシミュレーションを行うことが望
ましいが、処理セル数が膨大になったり、処理セルを設
定する処理の手間が煩雑となり、非現実的である問題点
がある。

【０００９】更に、従来のＦＤＴＤ法では、各処理セル
に対して斜めに線状のガラスアンテナが配された状態で
電磁波シミュレーションを行っているために、実際の線
状のガラスアンテナの長さよりも長い状態でシミュレー
ションを行っていることになり、インピーダンス（反射
係数）の解析を正確に行うことができない問題点があ
る。

【００１０】更にまた、従来のＦＤＴＤ法では、空間に
ついて差分法でシミュレーションを行うに際して通常１
次の差分公式が使用されるが、線状のガラスアンテナ近
傍においては電磁場が急激に変化するため、線状のガラ
スアンテナ近傍と近傍以外とで同じ処理セルサイズとす
ると、線状のガラスアンテナ近傍以外と比べて線状のガ
ラスアンテナ近傍におけるシミュレーション精度が悪い
問題点ある。

【００１１】これに対し、線状のガラスアンテナ近傍と
近傍以外との双方の領域で処理セルサイズを小さくする
手法があるが、処理セル数が膨大となりシミュレーショ
ン時に使用するメモリ等の計算資源を確保することが困
難となる問題がある。

【００１２】また、線状のガラスアンテナ近傍での処理
セルサイズを線状のガラスアンテナ近傍以外の処理セル
サイズよりも小さくするサブグリッド法や、線状のガラ
スアンテナ近傍での各処理セルを徐々に小さくする手法
があるが、上述したような手間や計算資源が多くかかる
問題がある。

【００１３】そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて
提案されたものであり、曲面形状を有する車両用ガラス
板に設けられるアンテナ近傍の電磁波シミュレーション
を正確に行ってアンテナ導体の性能を正確にシミュレー
ションすることができる車両用ガラスアンテナ性能解析
方法を提供するものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明では、車両の窓ガ
ラス板に設けられたアンテナ導体の電磁波放射又は電磁
波受信性能を解析する車両用ガラスアンテナ性能解析方
法において、アンテナ導体、窓ガラス板、車体又はそれ
らの周囲の空間を含む解析範囲を格子状の複数の処理セ
ルに分割するとともに、この解析範囲において、少なく
とも窓ガラス板の誘電率の値及び波源の値を設定する第
１ステップと、仮にアンテナ導体から電磁波を放射する
場合に、上記複数の処理セルのうちアンテナ導体が設け
られている複数の処理セルからなる処理セルの集合Ａに
ついてはそれぞれの処理セル周縁部の静電界の値を準静
電磁界近似法により求め処理セルの集合Ａ以外の処理セ
ルについて有限差分時間領域法により電界の値を求める
第２ステップと、第２ステップで求めた複数の静電界の
値を用いて処理セルの集合Ａについてそれぞれの処理セ
ル内の表面の磁界の値をＣＰ（Contour Path）法により
求め、さらに、上記複数の処理セルのうち処理セルの集
合Ａを除いた複数の処理セルについて磁界の値を有限差
分時間領域法により求める第３ステップと、第３ステッ
プで求めた電界の値及び磁界の値とを評価して車両用ガ
ラスアンテナの性能を解析する第４ステップにより課題
を解決する。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００１６】本発明は、例えば図１に示すように構成さ
れた車両用ガラスアンテナ性能解析装置に適用される。

【００１７】［車両用ガラスアンテナ性能解析装置の機
能的な構成］図１は、車両用ガラスアンテナ性能解析装
置の構成を機能ブロック図として示したものである。

【００１８】この車両用ガラスアンテナ性能解析装置
は、車両の窓ガラス板に設けられた例えば線状のアンテ
ナ導体の電磁波放射及び電磁波受信の性能を解析するた
めのものである。

【００１９】車両用ガラスアンテナ性能解析装置は、初
期条件入力部１と、電磁界シミュレーション部２と、シ
ミュレーション結果提示部３と、メモリ４とを備えて構
成されている。この車両用ガラスアンテナ性能解析装置
は、例えばパーソナルコンピュータからなり、初期条件
入力部１がユーザにより操作されるキーボードなどから
なり、電磁界解析部２がＣＰＵ（Central Processing U
nit）や処理回路からなり、シミュレーション結果提示
部３がシミュレーション結果をユーザに提示するモニタ
やプリンタ等を含んで構成されている。また、この車両
用ガラスアンテナ性能解析装置において、メモリ４は電
磁界シミュレーション部２により電磁波解析シミュレー
ションを行うに際して使用される作業領域となる。

【００２０】また、この車両用ガラスアンテナ性能解析
装置は、電磁界シミュレーション部２が電磁波解析シミ
ュレーションを行うための電磁波解析プログラムを格納
する記録媒体を備えていても良く、例えば電磁界シミュ
レーション部２により電磁波解析シミュレーションを行
うに際して電磁波解析プログラムの読み出しをする。

【００２１】初期条件入力部１は、電磁界シミュレーシ
ョン部２により電磁波解析シミュレーションを行うに際
して必要な初期条件を入力する。この初期条件入力部１
は、例えばユーザによりキーボードなどが操作されるこ
とにより、アンテナ導体の物性値などの初期条件が入力
され、入力された初期条件を電磁界シミュレーション部
２に出力する。

【００２２】電磁界シミュレーション部２は、初期条件
入力部１から初期条件が入力されると、初期条件を用い
た電磁波解析シミュレーションを開始する。電磁界シミ
ュレーション部２は、例えば記録媒体に格納された電磁
波解析プログラムを起動し、初期条件に用いた演算をす
る処理セル設定部１１、準静電磁界近似法処理部１２、
ＣＰ法処理部１３、有限差分時間領域法処理部１４とを
有する。

【００２３】処理セル設定部１１は、電磁波解析シミュ
レーションを行うに際しての処理単位である処理セルを
決定する処理セル決定処理、アンテナ導体を含む処理セ
ルの集合Ａを抽出して準静電磁界近似法処理部１２によ
り電界値を求める処理セルを設定する処理セル抽出処
理、電磁波解析シミュレーションの有限領域を設定する
吸収境界条件設定処理をする。

【００２４】準静電磁界近似法処理部１２は、処理セル
設定部１１で決定された処理セルの集合Ａについて準静
電磁界近似法に従った演算処理をすることにより、アン
テナ導体の導体幅などの大きさに応じて、集合Ａに含ま
れる各処理セルの周縁部の電界値を求める。なお、準静
電磁界近似法処理部１２で行う演算内容の詳細について
は後述する。

【００２５】有限差分時間領域法処理部１４は、マクス
ウェル方程式を時間と空間とについて一次差分公式を用
いて電磁界値を求める手法である所謂ＦＤＴＤ（Finite
Difference Time Domain）法に従った処理をする。こ
の有限差分時間領域法処理部１４は、解析範囲に含まれ
る複数の処理セルのうち、準静電磁界近似法により電界
値を求める処理セルの集合Ａを除いた複数の処理セルに
ついて電界値及び磁界値を求める。このとき、有限差分
時間領域法処理部１４は、窓ガラス板の誘電率、隣接す
る処理セルの電界値を用いた下記式１のアンペアの法則
に従って各処理セルの磁界値を求める。

【００２６】

【数１】 ＣＰ法処理部１３は、準静電磁界近似法処理部１２で求
めた各処理セルの周縁部における電界値を周回積分する
ことで各処理セル表面における磁界値を求める下記式２
のファラデーの法則の演算式を用いたＣＰ（Contour Pa
th）法に従った処理をする。

【００２７】

【数２】 ［車両用ガラスアンテナ性能解析装置の動作］図２に、
車両用ガラスアンテナ性能解析装置により電磁波解析シ
ミュレーションを行うときの処理の一例を示す。

【００２８】図２によれば、先ず、ステップＳ１におい
て、ユーザによりキーボードなどが操作されることで初
期条件入力部１に初期条件が入力されて初期条件を設定
する。初期条件入力部１は、入力された初期条件に基づ
いて初期条件情報を生成して電磁界シミュレーション部
２に出力する。

【００２９】初期条件入力部１に入力される初期条件と
しては、窓ガラス板（誘電体）やアンテナ導体、車体の
形状及び物性値などを特定する情報、各処理セルの大き
さ、アンテナ導体を含む処理セル、すなわち準静電磁界
近似法処理部１２により電界値演算を行う処理セルの集
合Ａの抽出、電磁界解析シミュレーションにより電磁波
状態を解析する解析範囲、解析範囲を有限とするための
吸収境界条件の設定などがある。

【００３０】このとき、初期条件入力部１は、図４に示
すようなアンテナ導体２２（波源）との距離と電界強度
との関係に従って、アンテナ導体２２が含まれていない
処理セルでの準静電界の値を準静電磁界近似法処理部１
２により求める設定にしても良い。更に、初期条件入力
部１は、アンテナ導体２２との距離の３乗に電界強度が
比例する成分が支配的になる処理セル、すなわち距離Ｒ
内の処理セルについてのみ準静電磁界近似法処理部１２
により電界値を求めるように設定しても良い。これによ
り、アンテナ導体２２近傍での準静電界の値をより正確
に求める。

【００３１】また、このステップＳ１において、初期条
件入力部１は、各処理セルの座標位置、アンテナ導体の
座標位置を決定して、アンテナ導体を含む処理セルの座
標位置を認識する。

【００３２】そして、ステップＳ１では内部のタイマを
起動して、ステップＳ２以降の処理を行い、ステップＳ
２〜ステップＳ３−３の処理をΔＴ／２（ΔＴ：所定時
間）ごとに繰り返して解析範囲での電界値及び磁界値を
求めて電磁波を解析する。

【００３３】次のステップＳ２において、電磁界シミュ
レーション部２は、ステップＳ１で決定された初期条件
に従って、各処理セルの周縁部における中心位置での電
界値Ｅの計算をし、計算して得た電界値とその座標位置
とを対応させてメモリ４に格納する。

【００３４】本例において、電磁界シミュレーション部
２は、アンテナ導体２２を含む処理セルから電界値の演
算を開始し、得られた電界値を用いて磁界値の演算を開
始する。

【００３５】ここで、電磁界シミュレーション部２は、
図３に示すステップＳ１で認識したアンテナ導体２２を
含む処理セル２１の集合Ａについては、準静電磁界近似
法処理部１２による準静電界近似法により電界値Ｅ１、
電界値Ｅ２を求める。

【００３６】次のステップＳ３−１において、電磁界シ
ミュレーション部２は、解析範囲を有限とするための吸
収境界条件を適用する必要があるか否かの判定をして、
電磁波を吸収するための条件を適用する必要があるとき
にはその処理セルでの電磁界値について境界条件を適用
する。

【００３７】次のステップＳ３−２において、電磁界シ
ミュレーション部２は、ステップＳ２で演算されて、メ
モリ４に格納されている電界値を用いて処理セル内の表
面における磁界値をＣＰ法処理部１３により求める。磁
界のうち、処理セルの集合Ａ内の表面の磁界については
必要に応じて準静電磁界近似法を用いて求めても良い。
ＣＰ法処理部１３は、例えば図３に示す処理セル２１に
ついては、積分経路２４を通常の矩形経路から三角状経
路に変更して電界値Ｅ１、電界値Ｅ２を用いた周回積分
をすることで処理セル２１での磁界値Ｈ１を求める。

【００３８】このようにステップＳ２からステップＳ３
−２までの処理をすることにより、処理セル２１につい
て電界値Ｅ１、Ｅ２及び磁界値Ｈ１を求める。

【００３９】そして、次のステップＳ３−３において、
電磁界シミュレーション部２は、ステップＳ１終了時に
起動したタイマの現在時刻値Ｔが予め設定した設定時刻
値Ｔｍａｘに達したか否かの判定をする。ここで、設定
時刻値Ｔｍａｘは、電界値及び磁界値が収束して定常と
なるのに必要な時間に相当する時刻値が設定されてい
る。

【００４０】電磁界シミュレーション部２は、現在時刻
値Ｔが設定時刻値Ｔｍａｘ以上であると判定したときに
はステップＳ４に処理を進め、現在時刻値Ｔが設定時刻
値Ｔｍａｘ以上でないと判定したときにはステップＳ２
に処理を進める。

【００４１】これにより、ステップＳ３−１における吸
収境界条件を適用する前であって設定時刻値Ｔｍａｘに
至るまで電磁界シミュレーション部２はアンテナ導体２
２を含む処理セルから開始してステップＳ２及びステッ
プＳ３−２の処理を繰り返すことにより、広い解析範囲
における電界値Ｅ及び磁界値Ｈを得る。

【００４２】次のステップＳ４においては、解析範囲で
得られた電界値及び磁界値を用いて、ユーザに提示する
ための処理をシミュレーション結果提示部３により行う
ことにより、電磁界シミュレーション部２による電磁波
解析シミュレーションの結果をユーザに提示する。

【００４３】このとき、シミュレーション結果提示部３
により行う処理は、特に限定せず、例えば電磁波状態を
グラフィック表示するための処理でも良く、アンテナ導
体のインピーダンス、電界強度又は指向性を提示するた
めの処理でも良い。

【００４４】［準静電磁界近似法処理部１２での演算処
理］つぎに、準静電磁界近似法処理部１２による準静電
磁界近似法による演算処理内容の詳細について説明す
る。

【００４５】準静電磁界近似法処理部１２により準静電
磁界近似法で準静電界を求めるためには、図５に示すよ
うに、アンテナ導体３１と窓ガラス板３２とをモデル化
した演算をする。図５では、アンテナ導体３１は波源で
あって電荷が存在するものとし、窓ガラス板３２の厚さ
をｄとし、窓ガラス板３２内の誘電率をε_０ε_ｒとし、
窓ガラス板３２外の誘電率をε_０とし、アンテナ導体３
１の幅を２ａとしてモデル化している。

【００４６】図５に示すモデルの場合における下記Pois
son方程式（式１１）、Green関数Ｇ（式１２）を用い
る。

【００４７】

【数３】 そして、図５の場合のGreen関数を求め図５中の電荷分
布の一例としてアンテナ導体３１の幅２ａで下記式１３
を用いて電界を求める。

【００４８】

【数４】 これにより、ｚ＞０での準静電界は下記式１４のように
表現され、０＞ｚ＞−ｄでは下記式１５のように表現さ
れ、−ｄ＞ｚでは下記式１６のように表現される。

【００４９】

【数５】 また、他の一例としては、図６に示すように、窓ガラス
板３２の底面に導体からなる地板３３が配設された場
合、準静電磁界近似法処理部１２は準静電磁界近似法に
より、ｚ＞０での準静電界を下記式１７により求め、０
＞ｚ＞−ｄでの準静電界を下記式１８により求める。

【００５０】

【数６】 ［実施の形態の効果］以上、詳細に説明したように、車
両用ガラスアンテナ性能解析装置によれば、アンテナ導
体近傍では準静電磁界近似が成立することを利用して準
静電磁界近似法処理部１２により電界値を求めるととも
に、準静電磁界近似法により求めた電界値を用いてＣＰ
法により磁界値を求め、アンテナ導体近傍外ではＦＤＴ
Ｄ法により電磁界値を求めることができるので、車両用
のアンテナ導体のように曲面形状を有する車両用窓ガラ
ス板に設けられた線状のガラスアンテナ近傍の電磁波シ
ミュレーションを正確に行って線状のガラスアンテナの
性能を正確にシミュレーションすることができる。

【００５１】ここで、アンテナ幅を１ｍｍ、ガラス厚さ
を２ｍｍ、比誘電率を４とした場合の周波数に対する反
射係数の実測値及び電磁波解析シミュレーションで得た
値の結果を図７に示す。

【００５２】図７によれば、細線で示した周波数に対す
る反射係数の変化の実測値と、太線で示した周波数に対
する反射係数の変化の電磁波解析シミュレーション値と
を比較すると、ＦＤＴＤ法のみにより電磁波解析シミュ
レーションをした場合と比較して精度の良いアンテナ導
体の特性を得ることができる。

【００５３】なお、上述の実施の形態は本発明の一例で
ある。このため、本発明は、上述の実施形態に限定され
ることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明
に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に
応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

【００５４】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、アンテナ
導体近傍では、準静電磁界近似法及びＣＰ法により、複
数の処理セルのうちアンテナ導体を含む処理セルの集合
Ａについての電界値及び磁界値を求め、アンテナ近傍外
では、有限差分時間領域法により、複数の処理セルのう
ち処理セルの集合Ａを除いた処理セルについて電界値及
び磁界値を求めるので、曲面形状を有する車両の窓ガラ
ス板に設けられるアンテナ導体の電磁波シミュレーショ
ンを正確に行ってアンテナ導体の性能を正確にシミュレ
ーションすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した車両用ガラスアンテナ性能解
析装置の機能的な構成を示すブロック図である。

【図２】本発明を適用した車両用ガラスアンテナ性能解
析装置により電磁波解析シミュレーションをするときの
処理手順を示すフローチャートである。

【図３】本発明を適用した車両用ガラスアンテナ性能解
析装置による電界の計算、磁界の計算について説明する
ための図である。

【図４】アンテナ導体との距離と電磁波のゲインとの関
係を示す図である。

【図５】準静電磁界近似法の一例を説明するための図で
ある。

【図６】準静電磁界近似法の他の一例を説明するための
図である。

【図７】本発明を適用した車両用ガラスアンテナ性能解
析装置による周波数−反射係数特性と、実測値による周
波数−反射係数とを示す図である。

【符号の説明】

１ 初期条件入力部 ２ 電磁界シミュレーション部 ３ シミュレーション結果提示部 ４ メモリ １１ 処理セル設定部 １２ 準静電磁界近似法処理部 １３ ＣＰ法処理部 １４ 有限差分時間領域法処理部 ２１，２３ 処理セル ２２，３１ アンテナ導体 ２４ 積分経路 ３２ 窓ガラス板 ３３ 地板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 車両の窓ガラス板に設けられたアンテナ
   導体の電磁波放射又は電磁波受信性能を解析する車両用
   ガラスアンテナ性能解析方法において、 アンテナ導体、窓ガラス板、車体又はそれらの周囲の空
   間を含む解析範囲を格子状の複数の処理セルに分割する
   とともに、この解析範囲において、少なくとも窓ガラス
   板の誘電率の値及び波源の値を設定する第１ステップ
   と、 仮にアンテナ導体から電磁波を放射する場合に、上記複
   数の処理セルのうちアンテナ導体が設けられている複数
   の処理セルからなる処理セルの集合Ａについてはそれぞ
   れの処理セル周縁部の静電界の値を準静電磁界近似法に
   より求め処理セルの集合Ａ以外の処理セルについて有限
   差分時間領域法により電界の値を求める第２ステップ
   と、 第２ステップで求めた複数の静電界の値を用いて処理セ
   ルの集合Ａについてそれぞれの処理セル内の表面の磁界
   の値をＣＰ（Contour Path）法により求め、さらに、上
   記複数の処理セルのうち処理セルの集合Ａを除いた複数
   の処理セルについて磁界の値を有限差分時間領域法によ
   り求める第３ステップと、 第３ステップで求めた電界の値及び磁界の値とを評価し
   て車両用ガラスアンテナの性能を解析する第４ステップ
   とを有することを特徴とする車両用ガラスアンテナ性能
   解析方法。