JP2019200676A - Radiated electromagnetic wave estimation device, radiated electromagnetic wave estimation method, and radiated electromagnetic wave estimation program - Google Patents

Radiated electromagnetic wave estimation device, radiated electromagnetic wave estimation method, and radiated electromagnetic wave estimation program Download PDF

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照雄 戸花
Teruo Doka
照雄 戸花
礒田 陽次
Yoji Isoda
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Abstract

To provide a radiated electromagnetic wave estimation device that can be applied even to a printed circuit board with a complicated circuit structure, and can estimate an unnecessary electromagnetic wave in the entire printed circuit board with high accuracy in a short time.SOLUTION: A radiated electromagnetic wave estimation device 1 comprises: a design information acquisition unit 2 that acquires design information on a printed circuit board; a transmission line extraction unit 4 that extracts transmission lines from the design information; a magnetic current distribution calculation unit 5 that calculates a current distribution and a magnetic current distribution for each of the transmission lines by using a spectral range method and a multiwire transmission line method; a surface electric field calculation unit 6 that calculates an electric field distribution in a spectral range on a surface of the printed circuit board on the basis of the current distribution and the magnetic current distribution; and a radiated electric field intensity calculation unit 7 that calculates the electric field intensity of an electromagnetic wave radiated from the printed circuit board on the basis of the electric field distribution.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、電子機器の内部に配置されるプリント回路基板等から空間に放射される電磁波を推定する放射電磁波推定装置等に関するものである。   The present invention relates to a radiated electromagnetic wave estimation device that estimates an electromagnetic wave radiated into a space from a printed circuit board or the like disposed inside an electronic device.

電子機器の設計・開発において、EMC(Electro-Magnetic Compatibility:電磁両立性)/EMI(Electro Magnetic Interference:電磁障害)問題は大きな課題である。特に、電子機器から放射される不要電磁波は、他の機器に干渉することにより、その機器の誤動作を引き起こすなどの問題を起こす可能性がある。医療や交通インフラなどの電子システムが誤動作を起こすと社会的な問題となる。そこで、電子機器から放射される不要電磁波の大きさは、法的または自主的な規格により規制されている。従って、電子機器の回路設計を行う際には、電子機器から放射される不要電磁波の大きさを正確に見積もることが重要である。   In the design and development of electronic equipment, the EMC (Electro-Magnetic Compatibility) / EMI (Electro Magnetic Interference) problem is a major issue. In particular, unnecessary electromagnetic waves radiated from electronic equipment may cause problems such as causing malfunction of the equipment by interfering with other equipment. When electronic systems such as medical care and transportation infrastructure malfunction, it becomes a social problem. Therefore, the size of unnecessary electromagnetic waves radiated from electronic devices is regulated by legal or voluntary standards. Therefore, when designing the circuit of an electronic device, it is important to accurately estimate the magnitude of unnecessary electromagnetic waves radiated from the electronic device.

最新の電子情報システムは、大規模データのリアルタイム伝送や処理が必要であり、ギガビットやテラビットといった高い信号伝送周波数が用いられる。システムの高性能化と省電力・軽量化が進むことにより、用いられる回路の配線の高密度化と多層化が進むと予想される。回路の配線が高密度で複雑になると、妨害波の発生を抑制することができる理想的な回路のグラウンド構造に欠損が入ることにより不要電磁波が発生しやすくなり、信号周波数の高周波化とも相まって不要電磁波が増加すると予想される。   The latest electronic information systems require real-time transmission and processing of large-scale data, and high signal transmission frequencies such as gigabit and terabit are used. As the performance of the system increases and the power saving and weight reduction progress, it is expected that the wiring density of the circuit used will be increased and the number of layers will be increased. When circuit wiring becomes dense and complicated, unwanted electromagnetic waves are likely to be generated due to defects in the ground structure of an ideal circuit that can suppress the generation of jamming waves, and it is not necessary in conjunction with higher signal frequencies. Electromagnetic waves are expected to increase.

電子機器からの不要電磁波の発生源として、おもに内部に置かれたプリント回路基板やその基板に接続された様々なケーブルが考えられている。このような平面構造のプリント回路基板からの不要電磁波を計算するために、現在のところ回路上の電流分布と回路のグラウンドに対する鏡像電流を利用した簡易な方法や数値計算法が主に使われている。回路のグラウンドが十分大きい理想的な場合には、鏡像電流を用いることで高速に精度良く不要電磁波を計算することができる。しかしながら、回路のグラウンド構造が複雑な場合や、グラウンドに欠損がある場合には、数値計算法を用いて計算を行うこととなる。数値計算法は、複雑な構造をもつさまざまな回路構造に対して不要電磁波を計算することが可能であるが、計算において大きな記憶容量が必要であり、計算時間が非常に長くなる。従って、数値計算法では、効率よく回路設計を行うことができず、設計段階で使用することは困難である。そこで、このような構造をもつ回路からの不要電磁波を精度良く短時間で推定する方法が望まれており、高速に不要電磁波を計算する方法を開発する必要がある。   As a source of unnecessary electromagnetic waves from electronic devices, a printed circuit board placed inside and various cables connected to the board are considered. In order to calculate unwanted electromagnetic waves from a printed circuit board with such a planar structure, at present, simple methods and numerical methods using current distribution on the circuit and mirror image current with respect to the circuit ground are mainly used. Yes. In an ideal case where the ground of the circuit is sufficiently large, unnecessary electromagnetic waves can be calculated at high speed and with high accuracy by using a mirror image current. However, when the ground structure of the circuit is complicated or when there is a defect in the ground, the calculation is performed using a numerical calculation method. The numerical calculation method can calculate unnecessary electromagnetic waves for various circuit structures having a complicated structure, but requires a large storage capacity in the calculation, and the calculation time becomes very long. Therefore, the numerical calculation method cannot efficiently design a circuit and is difficult to use at the design stage. Therefore, a method for accurately estimating unnecessary electromagnetic waves from a circuit having such a structure in a short time is desired, and it is necessary to develop a method for calculating unnecessary electromagnetic waves at high speed.

例えば、特許文献1には、電源プレーンとグラウンドプレーンの間に生じる電圧変動に起因して放射される電磁波の量を推定する手法が開示されている。   For example, Patent Document 1 discloses a technique for estimating the amount of electromagnetic waves radiated due to voltage fluctuations generated between a power plane and a ground plane.

特許第4760622号公報Japanese Patent No. 4760622

T. Itoh, et al., Numerical techniques for microwave and millimeter-wave passive structures, chap. 5, John Wiley & Sons, New York, 1989.T. Itoh, et al., Numerical techniques for microwave and millimeter-wave passive structures, chap. 5, John Wiley & Sons, New York, 1989. C.R. Paul, Analysis of multiconductor transmission lines, chap. 3, John Wiley & Sons, New York, 2008.C.R.Paul, Analysis of multiconductor transmission lines, chap. 3, John Wiley & Sons, New York, 2008. 戸花照雄, 笹森崇行 ,礒田陽次, “3層基板においてグラウンドスロットを介したマイクロストリップ線路間の電磁界結合解析”, 電子情報通信学会論文誌 2017/3 Vol. J100-B No.3, 2017.Teruo Tobana, Takayuki Sasamori, Yoji Kajita, “Analysis of Electromagnetic Coupling between Microstrip Lines via Ground Slots in a Three-Layer Substrate”, IEICE Transactions 2017/3 Vol. J100-B No.3, 2017.

しかしながら、回路構造が複雑なプリント回路基板にも適用可能であり、プリント回路基板全体の不要電磁波を高精度かつ短時間に推定する技術は、これまで提案されていない。   However, it can be applied to a printed circuit board having a complicated circuit structure, and a technique for estimating unnecessary electromagnetic waves of the entire printed circuit board in a short time with high accuracy has not been proposed.

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とすることは、回路構造が複雑なプリント回路基板にも適用可能であって、プリント回路基板全体の不要電磁波を高精度かつ短時間に推定することが可能な放射電磁波推定装置等を提供することである。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and its object is to apply to a printed circuit board having a complicated circuit structure, and to prevent unnecessary electromagnetic waves of the entire printed circuit board with high accuracy. It is another object of the present invention to provide a radiated electromagnetic wave estimation device that can be estimated in a short time.

前述した目的を達成するための第1の発明は、プリント回路基板から空間に放射される電磁波を推定する放射電磁波推定装置であって、前記プリント回路基板の設計情報を取得する設計情報取得部と、前記設計情報から伝送線路を抽出する伝送線路抽出部と、スペクトル領域法及び多線条伝送線路法を用いて、前記伝送線路ごとの電流分布及び磁流分布を算出する電流及び磁流分布算出部と、前記電流分布及び前記磁流分布に基づいて、前記プリント回路基板の表面におけるスペクトル領域の電界分布を算出する表面電界算出部と、前記電界分布に基づいて、前記プリント回路基板から放射される電磁波の電界強度を算出する放射電界強度算出部と、を備えることを特徴とする放射電磁波推定装置である。第1の発明における放射電磁波推定装置は、回路構造が複雑なプリント回路基板にも適用可能であって、プリント回路基板全体の不要電磁波を高精度かつ短時間に推定することができる。   A first invention for achieving the above-described object is a radiation electromagnetic wave estimation device for estimating an electromagnetic wave radiated from a printed circuit board to space, a design information acquisition unit for acquiring design information of the printed circuit board; A transmission line extraction unit that extracts a transmission line from the design information, and a current and magnetic current distribution calculation that calculates a current distribution and a magnetic current distribution for each transmission line using a spectral domain method and a multi-wire transmission line method A surface electric field calculation unit for calculating an electric field distribution in a spectral region on the surface of the printed circuit board based on the current distribution and the magnetic current distribution; and a radiation from the printed circuit board based on the electric field distribution. A radiation electric field intensity calculation unit for calculating the electric field intensity of the electromagnetic wave. The radiated electromagnetic wave estimation apparatus according to the first aspect of the invention can be applied to a printed circuit board having a complicated circuit structure, and can estimate unnecessary electromagnetic waves of the entire printed circuit board with high accuracy and in a short time.

第1の発明における前記表面電界算出部は、2次元のスペクトル領域法を用いて、前記伝送線路を伝搬する信号の伝搬方向を電界方向とする前記電界分布を算出するようにしても良い。これによって、3次元構造の数値計算法よりも高速に計算することができる。   The surface electric field calculation unit in the first invention may calculate the electric field distribution in which the propagation direction of a signal propagating through the transmission line is an electric field direction using a two-dimensional spectral domain method. As a result, the calculation can be performed faster than the numerical calculation method of the three-dimensional structure.

第2の発明は、コンピュータが、プリント回路基板から空間に放射される電磁波を推定する放射電磁波推定方法であって、前記コンピュータが、前記プリント回路基板の設計情報を取得するステップと、前記設計情報から伝送線路を抽出するステップと、スペクトル領域法及び多線条伝送線路法を用いて、前記伝送線路ごとの電流分布及び磁流分布を算出するステップと、前記電流分布及び前記磁流分布に基づいて、前記プリント回路基板の表面におけるスペクトル領域の電界分布を算出するステップと、前記電界分布に基づいて、前記プリント回路基板から放射される電磁波の電界強度を算出するステップと、を実行することを特徴とする放射電磁波推定方法である。第2の発明における放射電磁波推定方法は、回路構造が複雑なプリント回路基板にも適用可能であって、プリント回路基板全体の不要電磁波を高精度かつ短時間に推定することができる。   A second invention is a radiated electromagnetic wave estimation method in which a computer estimates an electromagnetic wave radiated from a printed circuit board to a space, wherein the computer acquires design information of the printed circuit board; and the design information A step of extracting a transmission line from the step, a step of calculating a current distribution and a magnetic current distribution for each transmission line using a spectral domain method and a multi-wire transmission line method, and a method based on the current distribution and the magnetic current distribution Performing a step of calculating an electric field distribution in a spectral region on the surface of the printed circuit board, and a step of calculating an electric field strength of an electromagnetic wave radiated from the printed circuit board based on the electric field distribution. This is a characteristic method for estimating radiated electromagnetic waves. The radiated electromagnetic wave estimation method according to the second invention can be applied to a printed circuit board having a complicated circuit structure, and can estimate unnecessary electromagnetic waves of the entire printed circuit board with high accuracy and in a short time.

第3の発明は、コンピュータが、プリント回路基板から空間に放射される電磁波を推定するための放射電磁波推定プログラムであって、前記コンピュータが、前記プリント回路基板の設計情報を取得するステップと、前記設計情報から伝送線路を抽出するステップと、スペクトル領域法及び多線条伝送線路法を用いて、前記伝送線路ごとの電流分布及び磁流分布を算出するステップと、前記電流分布及び前記磁流分布に基づいて、前記プリント回路基板の表面におけるスペクトル領域の電界分布を算出するステップと、前記電界分布に基づいて、前記プリント回路基板から放射される電磁波の電界強度を算出するステップと、を実行するための放射電磁波推定プログラムである。第3の発明の放射電磁波推定プログラムを汎用のコンピュータにインストールすることによって、第1の発明の放射電磁波推定装置を得ることができるとともに、第2の発明の放射電磁波推定方法を実行することができる。   A third invention is a radiated electromagnetic wave estimation program for a computer to estimate an electromagnetic wave radiated from a printed circuit board to the space, wherein the computer acquires design information of the printed circuit board; Extracting a transmission line from design information; calculating a current distribution and a magnetic current distribution for each transmission line using a spectral domain method and a multi-wire transmission line method; and the current distribution and the magnetic current distribution. A step of calculating an electric field distribution of a spectral region on the surface of the printed circuit board based on the step of calculating an electric field strength of an electromagnetic wave radiated from the printed circuit board based on the electric field distribution. Is a radiated electromagnetic wave estimation program. By installing the radiated electromagnetic wave estimation program of the third invention in a general-purpose computer, the radiated electromagnetic wave estimation device of the first invention can be obtained and the radiated electromagnetic wave estimation method of the second invention can be executed. .

本発明により、回路構造が複雑なプリント回路基板にも適用可能であって、プリント回路基板全体の不要電磁波を高精度かつ短時間に推定することが可能な放射電磁波推定装置等を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a radiated electromagnetic wave estimation device and the like that can be applied to a printed circuit board having a complicated circuit structure and can estimate unnecessary electromagnetic waves of the entire printed circuit board with high accuracy and in a short time. it can.

放射電磁波推定装置の構成を示すブロック図Block diagram showing the configuration of the radiated electromagnetic wave estimation device 伝送線路抽出部を説明する図The figure explaining a transmission line extraction part 表面電界分布算出部及び放射電界強度算出部を説明する図The figure explaining a surface electric field distribution calculation part and a radiation electric field strength calculation part 放射電磁波推定装置の処理の流れを示すフローチャートFlow chart showing process flow of radiated electromagnetic wave estimation device 実施例におけるプリント回路基板の構造を示す図The figure which shows the structure of the printed circuit board in an Example 実施例における推定結果を示す図The figure which shows the estimation result in an Example

以下図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。図1は、放射電磁波推定装置の構成を示すブロック図である。放射電磁波推定装置1は、プリント回路基板から空間に放射される電磁波を推定する装置である。放射電磁波推定装置1は、制御部としてのCPU(「Central Processing Unit」の略)、主記憶部としてのメモリ、補助記憶部としてのHDD(「Hard Disk Drive」の略)やフラッシュメモリ、表示部としての液晶ディスプレイ、入力部としてのキーボードやマウス、タッチパネルディスプレイ、有線通信部としてのLAN(Local Area Network)又は無線通信部としての無線モジュール等のハードウエアを有する。補助記憶部には、OS(「Operating System」の略)、後述する処理を実行するためのアプリケーションプログラムとしての放射電磁波推定プログラム、処理に必要なデータ等が記憶されている。制御部は、補助記憶部からOSや放射電磁波推定プログラムを読み出して主記憶部に格納し、主記憶部にアクセスしながら、その他の機器を制御し、後述する処理を実行する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the radiated electromagnetic wave estimation apparatus. The radiated electromagnetic wave estimation device 1 is a device that estimates an electromagnetic wave radiated from the printed circuit board to the space. The radiated electromagnetic wave estimation apparatus 1 includes a CPU (abbreviation of “Central Processing Unit”) as a control unit, a memory as a main storage unit, an HDD (abbreviation of “Hard Disk Drive”) or flash memory as an auxiliary storage unit, and a display unit. As a liquid crystal display, a keyboard or mouse as an input unit, a touch panel display, a LAN (Local Area Network) as a wired communication unit, or a wireless module as a wireless communication unit. The auxiliary storage unit stores an OS (abbreviation of “Operating System”), a radiated electromagnetic wave estimation program as an application program for executing processing to be described later, data necessary for processing, and the like. The control unit reads the OS and the radiated electromagnetic wave estimation program from the auxiliary storage unit, stores them in the main storage unit, controls other devices while accessing the main storage unit, and executes processing to be described later.

放射電磁波推定装置1は、例えば、デスクトップPC、ノートPC、タブレット端末、スマートフォン等のコンピュータである。放射電磁波推定装置1は、サーバであっても良く、インターネット等のネットワークを介して外部のコンピュータから要求を受信し、後述する処理を実行し、外部のコンピュータに推定結果を送信しても良い。   The radiated electromagnetic wave estimation apparatus 1 is, for example, a computer such as a desktop PC, a notebook PC, a tablet terminal, or a smartphone. The radiated electromagnetic wave estimation apparatus 1 may be a server, may receive a request from an external computer via a network such as the Internet, execute processing described later, and transmit an estimation result to the external computer.

図1に示すように、放射電磁波推定装置1は、プリント回路基板の設計情報を入力する設計情報取得部2と、推定条件を設定する推定条件設定部3と、設計情報から伝送線路を抽出する伝送線路抽出部4と、伝送線路ごとのスペクトル領域の電流分布及び磁流分布を算出する電流及び磁流分布算出部5と、電流分布及び磁流分布に基づいて、プリント回路基板の表面におけるスペクトル領域の電界分布を算出する表面電界分布算出部6と、プリント回路基板の表面におけるスペクトル領域の電界分布に基づいて、プリント回路基板から放射される電界の強度を算出する放射電界強度算出部7と、推定結果を出力する推定結果出力部8と、を備える。   As shown in FIG. 1, the radiated electromagnetic wave estimation device 1 extracts a transmission line from design information acquisition unit 2 that inputs design information of a printed circuit board, an estimation condition setting unit 3 that sets an estimation condition, and the design information. A transmission line extraction unit 4, a current and magnetic current distribution calculation unit 5 that calculates a current distribution and a magnetic current distribution in a spectral region for each transmission line, and a spectrum on the surface of the printed circuit board based on the current distribution and the magnetic current distribution. A surface electric field distribution calculating unit 6 for calculating the electric field distribution of the region, and a radiation electric field intensity calculating unit 7 for calculating the intensity of the electric field radiated from the printed circuit board based on the electric field distribution of the spectral region on the surface of the printed circuit board An estimation result output unit 8 for outputting an estimation result.

設計情報取得部2は、プリント回路基板の形状や層構成、伝送線路の構造、LSIやIC等の半導体素子、抵抗やコンデンサ等の受動素子等の搭載部品、接続されるケーブルの長さや接続位置等のプリント回路基板の設計情報を取得する。設計情報取得部2は、設計情報として、補助記憶部に記憶されているデータを読み込んでも良いし、入力部を介してユーザによって入力されるデータを取得しても良い。   The design information acquisition unit 2 includes the shape and layer configuration of the printed circuit board, the structure of the transmission line, semiconductor devices such as LSI and IC, mounted components such as passive elements such as resistors and capacitors, and the length and connection position of the cable to be connected. The design information of the printed circuit board such as is acquired. The design information acquisition unit 2 may read data stored in the auxiliary storage unit as design information, or may acquire data input by the user via the input unit.

推定条件設定部3は、プリント回路基板に含まれる伝送線路を伝搬する信号の周波数、信号の発生源の情報、その他の物理定数等の推定条件を設定する。推定条件設定部3は、推定条件として、補助記憶部に記憶されているデータを読み込んでも良いし、入力部を介してユーザによって入力されるデータを設定しても良い。   The estimation condition setting unit 3 sets estimation conditions such as the frequency of the signal propagating through the transmission line included in the printed circuit board, information on the signal source, and other physical constants. The estimation condition setting unit 3 may read data stored in the auxiliary storage unit as the estimation condition, or may set data input by the user via the input unit.

伝送線路抽出部4は、プリント回路基板に含まれる伝送線路を抽出し、伝送線路の断面形状や線路長を取得する。抽出される伝送線路は、1又は複数である。回路構造が複雑な場合、伝送線路抽出部4は、伝送線路の変化点で分割し、複数の伝送線路に分けて抽出する。伝送線路の変化点は、例えば、伝送線路が分岐する点、伝送線路が曲がっている点、IC等と接続する点等である。   The transmission line extraction unit 4 extracts a transmission line included in the printed circuit board, and acquires a cross-sectional shape and a line length of the transmission line. One or a plurality of transmission lines are extracted. When the circuit structure is complicated, the transmission line extraction unit 4 divides the transmission line at the change point of the transmission line and extracts the transmission line by dividing it into a plurality of transmission lines. The changing points of the transmission line are, for example, a point where the transmission line branches, a point where the transmission line is bent, a point where the transmission line is connected, and the like.

図2は、伝送線路抽出部を説明する図である。図2に示す例では、変化点1は、平行2線路の一方の終端点であり、変化点2は、線路が曲がっている点である。伝送線路抽出部4は、変化点1及び変化点2において伝送線路を分割し、3つの伝送線路Line1、Line2及びLine3に分けて抽出する。放射電磁波推定装置1は、後述の算出処理において、各伝送線路によって作り出される表面電界と放射電界を別々に計算し、最後に伝送線路の位置による位相の違いを考慮して足し合わせることで、プリント回路基板全体の放射電磁波を推定する。   FIG. 2 is a diagram illustrating the transmission line extraction unit. In the example shown in FIG. 2, the change point 1 is one end point of the parallel two lines, and the change point 2 is a point where the line is bent. The transmission line extraction unit 4 divides the transmission line at the change point 1 and the change point 2, and extracts the transmission line into three transmission lines Line1, Line2, and Line3. The radiated electromagnetic wave estimation device 1 separately calculates the surface electric field and the radiated electric field generated by each transmission line in the calculation process described later, and finally adds the values by considering the difference in phase depending on the position of the transmission line. Estimate the radiated electromagnetic wave of the entire circuit board.

電流及び磁流分布算出部5は、スペクトル領域法及び多線条伝送線路法を用いて、伝送線路ごとの電流分布及び磁流分布を算出する。スペクトル領域法(SDA:Spectral Domain Approach)は公知の技術であり、例えば、非特許文献1に開示されている。また、多線条伝送線路法(MTLM:Multiconductor Transmission Lines Method)も公知の技術であり、例えば、非特許文献2に開示されている。更に、スペクトル領域法及び多線条伝送線路法を用いて伝送線路におけるスペクトル領域の電磁界分布を算出する方法は、本発明者らによって考案されており、非特許文献3に開示されている。   The current and magnetic current distribution calculation unit 5 calculates a current distribution and a magnetic current distribution for each transmission line using a spectral domain method and a multi-wire transmission line method. The spectral domain approach (SDA) is a known technique, and is disclosed in Non-Patent Document 1, for example. Also, a multi-conductor transmission line method (MTLM) is a known technique, and is disclosed in Non-Patent Document 2, for example. Furthermore, the present inventors have devised a method of calculating the electromagnetic field distribution in the spectral region in the transmission line using the spectral region method and the multi-wire transmission line method, and is disclosed in Non-Patent Document 3.

表面電界分布算出部6は、2次元のスペクトル領域法を用いて、プリント回路基板の表面におけるスペクトル領域の電界分布を算出する。2次元のスペクトル領域法は、数値計算法ではあるものの、3次元構造の数値計算法よりも高速に計算することができる。   The surface electric field distribution calculation unit 6 calculates the electric field distribution in the spectral region on the surface of the printed circuit board using a two-dimensional spectral region method. Although the two-dimensional spectral domain method is a numerical calculation method, it can be calculated faster than the three-dimensional structure numerical calculation method.

図3は、放射電界強度算出部を説明する図である。図3に示すように、本発明の実施形態におけるプリント回路基板11は、表面11aに伝送線路12や搭載部品等が配置され、裏面11bにはグラウンド13が配置される。放射電界強度算出部7は、観測点14を遠方界とし、プリント回路基板11の表面11aにおける電界(=表面電界15)の分布から、遠方界における放射電界の強度を算出する。ここで、プリント回路基板11の表面11aは平面、伝送線路12は表面11a上に配置される。表面電界分布算出部6によって算出される表面電界15の電界方向は、伝送線路12ごとに決まり、伝送線路12を流れる信号の伝搬方向D(=紙面の奥から手前の方向)と平行または、直角である。   FIG. 3 is a diagram for explaining a radiation electric field intensity calculation unit. As shown in FIG. 3, in the printed circuit board 11 according to the embodiment of the present invention, the transmission line 12 and mounted components are arranged on the front surface 11a, and the ground 13 is arranged on the back surface 11b. The radiated electric field intensity calculation unit 7 sets the observation point 14 as the far field, and calculates the intensity of the radiated electric field in the far field from the distribution of the electric field (= surface electric field 15) on the surface 11a of the printed circuit board 11. Here, the surface 11a of the printed circuit board 11 is a flat surface, and the transmission line 12 is disposed on the surface 11a. The electric field direction of the surface electric field 15 calculated by the surface electric field distribution calculating unit 6 is determined for each transmission line 12, and is parallel to or perpendicular to the propagation direction D of the signal flowing through the transmission line 12 (= direction from the back of the page to the front). It is.

推定結果出力部8は、推定結果として、放射電界強度算出部7によって算出される放射電界の強度等を表示部に表示する。   The estimation result output unit 8 displays the intensity of the radiated electric field calculated by the radiated electric field intensity calculation unit 7 on the display unit as the estimation result.

以上の構成によって、放射電磁波推定装置1は、設計段階において、プリント回路基板全体の不要電磁波を高精度かつ短時間に推定することができる。   With the above configuration, the radiated electromagnetic wave estimation apparatus 1 can estimate unnecessary electromagnetic waves of the entire printed circuit board in a design stage with high accuracy and in a short time.

図4は、放射電磁波推定装置の処理の流れを示すフローチャートである。図4に示すように、放射電磁波推定装置1の設計情報取得部2は、プリント回路基板の設計情報を取得する(ステップS1)。   FIG. 4 is a flowchart showing a processing flow of the radiated electromagnetic wave estimation apparatus. As shown in FIG. 4, the design information acquisition unit 2 of the radiated electromagnetic wave estimation apparatus 1 acquires design information of the printed circuit board (step S1).

次に、推定条件設定部3は、プリント回路基板に含まれる伝送線路を伝搬する信号の周波数、電磁波の発生源、その他の物理定数等の推定条件を設定する(ステップS2)。   Next, the estimation condition setting unit 3 sets estimation conditions such as the frequency of the signal propagating through the transmission line included in the printed circuit board, the generation source of electromagnetic waves, and other physical constants (step S2).

次に、伝送線路抽出部4は、ステップS1において入力されるプリント回路基板の設計情報から伝送線路を抽出する(ステップS3)。回路構造が複雑な場合、伝送線路抽出部4は、伝送線路の変化点で分割し、複数の伝送線路に分けて抽出する。   Next, the transmission line extraction part 4 extracts a transmission line from the design information of the printed circuit board input in step S1 (step S3). When the circuit structure is complicated, the transmission line extraction unit 4 divides the transmission line at the change point of the transmission line and extracts the transmission line by dividing it into a plurality of transmission lines.

次に、伝送線路抽出部4は、ステップS1において入力されるプリント回路基板の設計情報から、ステップS3において抽出される各伝送線路の断面形状及び線路長を抽出する(ステップS4)。   Next, the transmission line extraction part 4 extracts the cross-sectional shape and line length of each transmission line extracted in step S3 from the design information of the printed circuit board input in step S1 (step S4).

次に、電流及び磁流分布算出部5は、スペクトル領域法を用いて、ステップS3において抽出される各伝送線路の自己パラメータを算出する(ステップS5)。算出される自己パラメータは、伝送線路の単位長あたりの自己キャパシタンス、伝送線路の単位長あたりの自己インダクタンス、伝送線路の位相定数、伝送線路の特性インピーダンス等である。   Next, the current and magnetic current distribution calculation unit 5 calculates the self-parameters of each transmission line extracted in step S3 using the spectral domain method (step S5). The calculated self-parameters are a self-capacitance per unit length of the transmission line, a self-inductance per unit length of the transmission line, a phase constant of the transmission line, a characteristic impedance of the transmission line, and the like.

次に、電流及び磁流分布算出部5は、スペクトル領域法を用いて、ステップS3において抽出される伝送線路間の相互パラメータを算出する(ステップS6)。算出される相互パラメータは、伝送線路間の単位長あたりの相互キャパシタンス、伝送線路間の単位長あたりの相互インダクタンス等である。   Next, the current and magnetic current distribution calculation unit 5 calculates the mutual parameters between the transmission lines extracted in step S3 using the spectral domain method (step S6). The calculated mutual parameters are a mutual capacitance per unit length between transmission lines, a mutual inductance per unit length between transmission lines, and the like.

次に、電流及び磁流分布算出部5は、ステップS5において算出される自己パラメータ及びステップS6において算出される相互パラメータに基づいて、多線条伝送線路法を用いて、伝送回路ごとに電流分布及び磁流分布を算出する(ステップS7)。電流分布及び磁流分布の算出については、例えば、非特許文献3等に開示されている。   Next, the current and magnetic current distribution calculation unit 5 uses the multi-wire transmission line method based on the self-parameter calculated in step S5 and the mutual parameter calculated in step S6, for each transmission circuit. And magnetic current distribution is calculated (step S7). The calculation of the current distribution and the magnetic current distribution is disclosed in Non-Patent Document 3, for example.

次に、表面電界分布算出部6は、ステップS7において算出される電流分布及び磁流分布に基づいて、スペクトル領域法を用いて、プリント回路基板の表面におけるスペクトル領域の電界分布を算出する(ステップS8)。   Next, the surface electric field distribution calculation unit 6 calculates the electric field distribution in the spectral region on the surface of the printed circuit board using the spectral region method based on the current distribution and the magnetic current distribution calculated in Step S7 (Step S7). S8).

ここで、ステップ8における算出処理の詳細を説明する。プリント回路基板の表面を平面及び伝送線路を直線と仮定し、伝送線路が伸びる方向、すなわち伝送線路を流れる信号の伝搬方向をx軸方向、プリント回路基板の表面と直交する方向をz軸方向、x軸及びz軸と直交する方向をy軸方向とする。遠方界における放射電界ベクトルE(x,y,z)は、平面波の重ね合わせとして表現することができ、z=0の平面におけるスペクトル領域の電界ベクトルf(k,k)を用いて、次式のように計算することができる。 Here, the details of the calculation process in step 8 will be described. Assuming that the surface of the printed circuit board is a plane and the transmission line is a straight line, the direction in which the transmission line extends, that is, the propagation direction of the signal flowing through the transmission line is the x-axis direction, and the direction orthogonal to the surface of the printed circuit board is the z-axis direction. The direction orthogonal to the x-axis and z-axis is taken as the y-axis direction. The radiated electric field vector E (x, y, z) in the far field can be expressed as a superposition of plane waves, and using the electric field vector f (k x , k y ) in the spectral region in the z = 0 plane, It can be calculated as:

Figure 2019200676
Figure 2019200676

ここで、k,k及びkはそれぞれx軸方向、y軸方向及びz軸方向に対応する波数、f(k,k)はz=0の平面におけるスペクトル領域の電界ベクトルであり、次式によって示される。 Here, k x , k y and k z are the wave numbers corresponding to the x-axis direction, the y-axis direction and the z-axis direction, respectively, and f (k x , k y ) is an electric field vector in the spectral region in the plane where z = 0. Yes, and is given by

Figure 2019200676
Figure 2019200676

式(2)を計算するためには、スペクトル領域の電界ベクトルf(k,k)を算出する必要がある。これは、一般的な数値計算法の結果をフーリエ変換することで算出することもできるが、本発明の実施の形態では、スペクトル領域の電磁界分布を直接計算可能なスペクトル領域法を用いる。これによって、他の方法に比較して高速に計算することができる。 In order to calculate Equation (2), it is necessary to calculate the electric field vector f (k x , k y ) in the spectral region. This can be calculated by Fourier transforming the result of a general numerical calculation method, but in the embodiment of the present invention, a spectral domain method capable of directly calculating the electromagnetic field distribution in the spectral domain is used. As a result, the calculation can be performed faster than other methods.

更に、伝送線路上を信号がx軸方向に位相定数βで伝搬している場合、伝搬方向に沿う電磁界分布は位相がβのみ変化することから、スペクトル領域の電界ベクトルf(k,k)は、次式のように考えることができる。 Furthermore, when the signal is propagating on the transmission line in the x-axis direction with a phase constant β, the electromagnetic field distribution along the propagation direction changes only in the phase β, so that the electric field vector f (k x , k in the spectral region. y ) can be considered as:

Figure 2019200676
Figure 2019200676

ここで、f'は 電流により発生する一次元の電界分布であり、g'は磁流により発生する一次元の電界分布であり、電界方向はそれぞれx軸方向である。この一次元の電界分布f'とg'を用いると、遠方界における放射電界ベクトルE(x,y,z)は、次式によって表される。   Here, f ′ is a one-dimensional electric field distribution generated by an electric current, g ′ is a one-dimensional electric field distribution generated by a magnetic current, and the electric field directions are each in the x-axis direction. Using the one-dimensional electric field distributions f ′ and g ′, the radiated electric field vector E (x, y, z) in the far field is expressed by the following equation.

Figure 2019200676
Figure 2019200676

ここで、l(英語の小文字のエル)は伝送線路の線路長である。この式で用いられている一次元の電界分布f'と位相定数βは、2次元のスペクトル領域法によって算出することができる。また、電界分布g'は磁流分布からそのまま算出することができる。従って、2階積分を計算する必要があるが、3次元構造の数値計算を用いて遠方放射電界を計算するよりも、高速に放射電界を計算することができる。回路構造が複雑な場合、伝送線路抽出部4は、複数の伝送線路に分けて抽出し、電流及び磁流分布算出部5は、伝送線路毎に電流分布と位相定数βを算出する。そして、表面電界分布算出部6は、電流分布からスペクトル領域法を用いて伝送線路ごとの一次元の電界分布f'を算出し、式(4)に代入してすべての結果を足し合わせることによって、最終的な電界分布を算出することができる。   Here, l (English letter L) is the line length of the transmission line. The one-dimensional electric field distribution f ′ and the phase constant β used in this equation can be calculated by a two-dimensional spectral domain method. The electric field distribution g ′ can be calculated as it is from the magnetic current distribution. Therefore, it is necessary to calculate the second order integral, but the radiated electric field can be calculated faster than the far radiated electric field is calculated using the numerical calculation of the three-dimensional structure. When the circuit structure is complicated, the transmission line extraction unit 4 extracts the transmission line by dividing it into a plurality of transmission lines, and the current and magnetic current distribution calculation unit 5 calculates the current distribution and the phase constant β for each transmission line. Then, the surface electric field distribution calculating unit 6 calculates a one-dimensional electric field distribution f ′ for each transmission line from the current distribution by using the spectral domain method, and substitutes all the results by substituting into the equation (4). The final electric field distribution can be calculated.

図4の説明に戻る。次に、放射電界強度算出部7は、観測点を遠方界とし、ステップS8において算出されるプリント回路基板の表面におけるスペクトル領域の電界分布から、遠方界における放射電界の強度を算出する(ステップS9)。放射電界の強度は、例えば、最大値で規格化される。   Returning to the description of FIG. Next, the radiated electric field intensity calculation unit 7 sets the observation point as the far field, and calculates the intensity of the radiated electric field in the far field from the electric field distribution in the spectral region on the surface of the printed circuit board calculated in step S8 (step S9). ). The intensity of the radiated electric field is normalized by a maximum value, for example.

次に、推定結果出力部8は、ステップ9において算出される遠方界における放射電界の強度を推定結果として出力する(ステップS10)。   Next, the estimation result output unit 8 outputs the intensity of the radiated electric field in the far field calculated in step 9 as an estimation result (step S10).

本発明の実施形態における放射電磁波推定装置1によれば、回路構造が複雑なプリント回路基板にも適用可能であって、プリント回路基板全体の不要電磁波を高精度かつ短時間に推定することが可能となる。   The radiated electromagnetic wave estimation apparatus 1 according to the embodiment of the present invention can be applied to a printed circuit board having a complicated circuit structure, and can estimate unnecessary electromagnetic waves of the entire printed circuit board with high accuracy and in a short time. It becomes.

従来は、プリント回路基板全体の不要電磁波を推定するために、無限に大きな欠損のないグラウンドを持つ回路を仮定し、回路の電流分布とグラウンドに対する鏡像電流を用いる方法(=鏡像法)が用いられていた。また、複雑な構造を持つプリント回路基板に対しては、多大な計算時間を要する3次元構造の数値計算法によって回路を囲む閉領域の電磁界分布を算出する方法が主に使われてきた。本発明の実施形態における放射電磁波推定装置1によれば、従来の鏡像法によって計算できない欠損がある複雑な構造を持つグラウンド上の回路にも適用することができ、計算の適用範囲を広げることができるとともに、3次元構造の数値計算法と比較して高速に計算を行うことができる。   Conventionally, in order to estimate the unnecessary electromagnetic wave of the entire printed circuit board, a circuit having a ground with an infinitely large defect and a circuit current distribution and a mirror image current with respect to the ground (= mirror image method) is used. It was. For a printed circuit board having a complicated structure, a method of calculating an electromagnetic field distribution in a closed region surrounding a circuit by a numerical calculation method of a three-dimensional structure that requires a lot of calculation time has been mainly used. According to the radiated electromagnetic wave estimation apparatus 1 in the embodiment of the present invention, it can be applied to a circuit on the ground having a complicated structure having a defect that cannot be calculated by a conventional mirror image method, and the application range of calculation can be expanded. In addition, the calculation can be performed at a higher speed than the numerical calculation method of the three-dimensional structure.

本実施例では、伝送線路としてマイクロストリップ線路を有するプリント回路基板に対して、本発明の実施形態における放射電磁波推定装置1を適用し、プリント回路基板から空間に放射される電磁波を推定した。   In this example, the radiated electromagnetic wave estimation apparatus 1 in the embodiment of the present invention was applied to a printed circuit board having a microstrip line as a transmission line, and electromagnetic waves radiated from the printed circuit board to the space were estimated.

図5は、実施例におけるプリント回路基板の構造を示す図である。図5に示すプリント回路基板21は、0.8mm厚さのFR4(=Flame Retardant Type 4)基板の裏面をグラウンド面とし、伝送線路22として幅wg=1.2mm、長さl=100mmのマイクロストリップ線路を表面に構成した。伝送線路22の特性インピーダンスは、ほぼ50Ωになる。伝送線路22の一端を原点とし、原点に電源23を配置して給電する。無反射終端とするために、伝送線路22の他端を50Ωの抵抗24で終端した。直線の伝送線路22が伸びる方向、すなわち信号の伝搬方向をx軸方向とし、プリント回路基板21の表面に垂直な方向をz軸方向とし、x軸方向及びz軸方向と直交する方向をy軸方向とした。プリント回路基板21のy軸方向の長さW及びx軸方向の長さLは、無限大の大きさとして推定を行った。   FIG. 5 is a diagram illustrating the structure of the printed circuit board in the embodiment. The printed circuit board 21 shown in FIG. 5 has a 0.8 mm-thick FR4 (= Flame Retardant Type 4) board as a ground plane, a transmission line 22 having a width wg = 1.2 mm and a length l = 100 mm. A strip line was constructed on the surface. The characteristic impedance of the transmission line 22 is approximately 50Ω. One end of the transmission line 22 is the origin, and a power source 23 is arranged at the origin to supply power. In order to obtain a non-reflective termination, the other end of the transmission line 22 was terminated with a resistor 24 of 50Ω. The direction in which the straight transmission line 22 extends, that is, the signal propagation direction is the x-axis direction, the direction perpendicular to the surface of the printed circuit board 21 is the z-axis direction, and the direction perpendicular to the x-axis direction and the z-axis direction is the y-axis. The direction. The length W in the y-axis direction and the length L in the x-axis direction of the printed circuit board 21 were estimated as infinite sizes.

伝送線路22を伝搬する信号の周波数は、1GHz及び2GHzの2パターンとした。放射電磁波推定装置1は、遠方界の観測点としてXZ面上のθ方向(−90度≦θ≦90度、θ=0度のときz軸方向)を走査して遠方界電界の強度を推定した。電界方向は、XZ面上の原点から一定距離の円周に平行、すなわちEθ方向とした。推定値である遠方界電界の強度は、最大値で規格化した。 The frequency of the signal propagating through the transmission line 22 was two patterns of 1 GHz and 2 GHz. The radiated electromagnetic wave estimation apparatus 1 scans the θ direction (−90 degrees ≦ θ ≦ 90 degrees, z-axis direction when θ = 0 degrees) on the XZ plane as a far field observation point, and estimates the intensity of the far field electric field. did. Electric field direction is parallel from the origin on the XZ plane the circumference of the fixed distance, i.e. the E theta direction. The strength of the far-field electric field, which is an estimated value, was normalized with the maximum value.

図6は、実施例における推定結果を示す図である。比較例として、基板の大きさを有限とした以外は同じモデルに対して、数値計算法の一つであるFDTD法(Finite-Difference Time-Domain method;有限差分時間領域法)を用いて解析を行った。図6では、放射電磁波推定装置1による算出結果(=Proposed)が実線で示され、比較例(=Numerical)が破線で示されている。周波数1GHzの場合、2つの結果がほぼ一致することが分かる。また、周波数2GHzの場合、ディップの起こる位置が若干異なっていることが分かる。これは、放射電磁波推定装置1がスペクトル領域法によって求めた位相定数βが、FDTD法による結果と異なるためと考えられる。但し、周波数2GHzの場合も、全体としては2つの結果がほぼ一致することが分かる。従って、放射電磁波推定装置1による算出結果は、多大な計算時間を要する数値計算法による算出結果と同程度の精度であることが分かる。   FIG. 6 is a diagram illustrating an estimation result in the example. As a comparative example, for the same model except that the substrate size is finite, analysis is performed using the FDTD method (Finite-Difference Time-Domain method), which is one of the numerical calculation methods. went. In FIG. 6, the calculation result (= Proposed) by the radiated electromagnetic wave estimation apparatus 1 is indicated by a solid line, and the comparative example (= Numeral) is indicated by a broken line. It can be seen that when the frequency is 1 GHz, the two results almost coincide. It can also be seen that the position where the dip occurs is slightly different when the frequency is 2 GHz. This is considered because the phase constant β obtained by the radiated electromagnetic wave estimation apparatus 1 by the spectral domain method is different from the result by the FDTD method. However, it can be seen that the two results almost coincide with each other even when the frequency is 2 GHz. Therefore, it can be seen that the calculation result by the radiated electromagnetic wave estimation apparatus 1 has the same accuracy as the calculation result by the numerical calculation method which requires a great amount of calculation time.

以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る放射電磁波推定装置等の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   The preferred embodiments of the radiated electromagnetic wave estimation apparatus and the like according to the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It will be apparent to those skilled in the art that various changes or modifications can be conceived within the scope of the technical idea disclosed in the present application, and these naturally belong to the technical scope of the present invention. Understood.

1………放射電磁波推定装置
2………設計情報取得部
3………推定条件設定部
4………伝送線路抽出部
5………電流及び磁流分布算出部
6………表面電界分布算出部
7………放射電界強度算出部
8………推定結果出力部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ......... Radiation electromagnetic wave estimation apparatus 2 ......... Design information acquisition part 3 ......... Estimation condition setting part 4 ......... Transmission line extraction part 5 ......... Current and magnetic current distribution calculation part 6 ......... Surface electric field distribution Calculation unit 7 .... Radiated electric field intensity calculation unit 8 ... ... Estimation result output unit

Claims (4)

プリント回路基板から空間に放射される電磁波を推定する放射電磁波推定装置であって、
前記プリント回路基板の設計情報を取得する設計情報取得部と、
前記設計情報から伝送線路を抽出する伝送線路抽出部と、
スペクトル領域法及び多線条伝送線路法を用いて、前記伝送線路ごとの電流分布及び磁流分布を算出する電流及び磁流分布算出部と、
前記電流分布及び前記磁流分布に基づいて、前記プリント回路基板の表面におけるスペクトル領域の電界分布を算出する表面電界算出部と、
前記電界分布に基づいて、前記プリント回路基板から放射される電磁波の電界強度を算出する放射電界強度算出部と、
を備えることを特徴とする放射電磁波推定装置。
A radiated electromagnetic wave estimation device for estimating an electromagnetic wave radiated from a printed circuit board to space,
A design information acquisition unit for acquiring design information of the printed circuit board;
A transmission line extraction unit for extracting a transmission line from the design information;
Using a spectral domain method and a multi-wire transmission line method, a current and magnetic current distribution calculation unit for calculating a current distribution and a magnetic current distribution for each transmission line;
Based on the current distribution and the magnetic current distribution, a surface electric field calculation unit that calculates an electric field distribution in a spectral region on the surface of the printed circuit board;
Based on the electric field distribution, a radiated electric field strength calculating unit that calculates the electric field strength of the electromagnetic wave radiated from the printed circuit board,
A radiated electromagnetic wave estimation apparatus comprising:
前記表面電界算出部は、2次元のスペクトル領域法を用いて、前記伝送線路を伝搬する信号の伝搬方向を電界方向とする前記電界分布を算出する
ことを特徴とする請求項1に記載の放射電磁波推定装置。
2. The radiation according to claim 1, wherein the surface electric field calculation unit calculates the electric field distribution with a propagation direction of a signal propagating through the transmission line as an electric field direction by using a two-dimensional spectral domain method. Electromagnetic wave estimation device.
コンピュータが、プリント回路基板から空間に放射される電磁波を推定する放射電磁波推定方法であって、
前記コンピュータが、
前記プリント回路基板の設計情報を取得するステップと、
前記設計情報から伝送線路を抽出するステップと、
スペクトル領域法及び多線条伝送線路法を用いて、前記伝送線路ごとの電流分布及び磁流分布を算出するステップと、
前記電流分布及び前記磁流分布に基づいて、前記プリント回路基板の表面におけるスペクトル領域の電界分布を算出するステップと、
前記電界分布に基づいて、前記プリント回路基板から放射される電磁波の電界強度を算出するステップと、
を実行することを特徴とする放射電磁波推定方法。
A computer radiated electromagnetic wave estimation method for estimating an electromagnetic wave radiated into a space from a printed circuit board,
The computer is
Obtaining design information of the printed circuit board;
Extracting a transmission line from the design information;
Calculating a current distribution and a magnetic current distribution for each transmission line using a spectral domain method and a multi-wire transmission line method;
Calculating an electric field distribution in a spectral region on the surface of the printed circuit board based on the current distribution and the magnetic current distribution;
Calculating the electric field strength of electromagnetic waves radiated from the printed circuit board based on the electric field distribution;
The radiation electromagnetic wave estimation method characterized by performing.
コンピュータが、プリント回路基板から空間に放射される電磁波を推定するための放射電磁波推定プログラムであって、
前記コンピュータが、
前記プリント回路基板の設計情報を取得するステップと、
前記設計情報から伝送線路を抽出するステップと、
スペクトル領域法及び多線条伝送線路法を用いて、前記伝送線路ごとの電流分布及び磁流分布を算出するステップと、
前記電流分布及び前記磁流分布に基づいて、前記プリント回路基板の表面におけるスペクトル領域の電界分布を算出するステップと、
前記電界分布に基づいて、前記プリント回路基板から放射される電磁波の電界強度を算出するステップと、
を実行するための放射電磁波推定プログラム。
A computer radiated electromagnetic wave estimation program for estimating electromagnetic waves radiated from a printed circuit board to space,
The computer is
Obtaining design information of the printed circuit board;
Extracting a transmission line from the design information;
Calculating a current distribution and a magnetic current distribution for each transmission line using a spectral domain method and a multi-wire transmission line method;
Calculating an electric field distribution in a spectral region on the surface of the printed circuit board based on the current distribution and the magnetic current distribution;
Calculating the electric field strength of electromagnetic waves radiated from the printed circuit board based on the electric field distribution;
Radiated electromagnetic wave estimation program for running.
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