JP3639352B2 - 波動解析方法及びその装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は波動データの解析を行う波動解析方法及びその装置であって、特に、電磁波データの過渡的な挙動を電子計算機を用いて解析する波動解析方法及びその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より波動データの解析を行う波動解析方法として、例えば、電磁波データの過渡的な挙動を電子計算機を用いて解析する電磁波解析方法がある。この電磁波解析方法は、有限空間の解析領域を数値計算のために離散化し、各離散点に電磁場を表すための物理量として電磁界またはそれに準ずる物理量を設定する。そして、その方法は特定の離散点の電磁界またはそれに準ずる物理量に変化を与え、全ての離散点の電磁波データの空間的及び時間的変化を解析する。
【0003】
この場合、マックスウェル方程式に従って電磁波が有限の速度で伝搬していくが、電磁波データの変化を逐次的、かつ過渡的に計算する。この電磁波データの計算方法としては、伝送線路行列法、空間回路網法、有限差分時間領域法、有限要素時間領域法などがある。
【0004】
伝送線路行列法及び空間回路網法は、空間を離散化し、各離散点に電磁波に対応する変数を設定する。そして、伝送線路行列法及び空間回路網法は、離散点間を一次元線路と仮定し、各点において散乱行列を定義して二次波の発生による波動伝搬を逐次的に計算する。
【0005】
有限要素時間領域法は、空間を有限要素に分割し、分割された有限要素について空間的には電磁波エネルギーの極小値問題として捉え、時間的には差分化し、マックスウェル方程式により波動伝搬を逐次的に計算する。有限差分時間領域法は、空間を離散化し、各離散点に対して空間的及び時間的に差分化し、マックスウェル方程式により波動伝搬を逐次的に計算する。
【0006】
これらの方法は空間の離散点に設定された電磁界またはそれに準ずる物理量を全てマックスウェル方程式に従って、離散時間毎に毎時刻計算する。このため、前記方法は数値計算のための空間の離散化を除いて手法としての近似がなく、電磁波の数値計算方法の中では、厳密でかつ汎用性の高い手法として位置付けられている。
【0007】
例えば、マイクロストリップラインにおいては、図24に示すように、特定の離散点にパルス状の励振を与えると、その電磁波エネルギーENは有限の範囲に分布する。
【0008】
そして、その電磁波エネルギーが図24(a)から図24(d)に示すように、時系列的にz方向に沿って伝搬される。この様子を図25に示す。図25(a)〜図25(d)において、横軸はz方向の位置であり、縦軸はマイクロストリップラインの基板の上面中央におけるy方向の電界の大きさである。図25(a)においては、時刻t1において、位置z1付近のみに電界Eyが存在する。図25(b)においては、時刻t2において、位置z2付近のみに電界Eyが存在する。図25(c)においては、時刻t3において、位置z3付近のみに電界Eyが存在する。図25(d)においては、時刻t4において、位置z4付近のみに電界Eyが存在する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したように、伝送線路行列法、空間回路網法、有限差分時間領域法、有限要素時間領域法の各々の方法は空間の離散点に設定された電磁界またはそれに準ずる物理量を離散時間毎に毎時刻計算する。このため、電子計算機の主記憶装置は空間の全離散点の電磁界またはそれに準ずる物理量を記憶しなければならなかった。その結果、主記憶装置の容量を非常に多く必要とした。
【0010】
また、空間の離散点の数が非常に多いため、電磁波の物理量の解析に多くの時間を要していた。例えば、図25に示すような例であっても、電界Eyが存在しない範囲においても、電磁波データの計算を行っており、非常に無駄な計算を行っていた。
【0011】
本発明の第1の目的は、波動データの計算時間を短縮できる波動解析方法及びその装置を提供することにある。
また、本発明の第2の目的は、電子計算機の主記憶容量が制限されていて十分に確保できない場合に、補助記憶装置を効率的に利用して波動データの時間的及び空間的変化を計算できる波動解析方法及びその装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の波動解析方法及びその装置は、前記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
【0013】
<本発明の波動解析装置の要旨>
第1の発明の波動解析装置は図1に示したように有限空間の解析領域を複数の離散点により表し解析領域の全ての離散点の中の特定の離散点の波動データが変化したときその変化が他の離散点の波動データの空間的及び時間的変化として伝わっていく状態を解析する。
【0014】
波動解析装置は分割手段2、分割手段2に接続される判定手段4、判定手段4に接続される計算手段6とを備える。
(分割手段)
分割手段2は、波動データの解析に必要ないくつかの離散点からなる離散格子のサイズよりも大きいサイズでもって解析領域を複数のブロックに分割する。前記波動データは、例えば、電磁波データ、弾性波データ、音波データなどである。
前記離散格子は例えば、波長の20分の1以下程度である。
(判定手段)
判定手段4は前記分割手段2により分割された各ブロックに含まれる全ての離散点の中の予め定められた判定離散点の波動データが所定値よりも大きいか否かを各ブロック毎に判定する。
(計算手段)
計算手段6は前記判定離散点の波動データが所定値よりも大きい場合におけるブロックのみそのブロックに含まれる全ての離散点の波動データの空間的及び時間的変化を計算する(請求項1に対応)。前記判定手段4、計算手段6は、中央処理装置(CPU)などである。前記計算手段は有限差分時間領域法を用いて各離散点の波動データを計算する。
【0015】
本発明は以下の付加的構成要素を付加しても成立する。
その他の付加的構成要素とは、前記計算手段6が、ある時刻におけるブロック内部の波動データを計算する場合に前記時刻以前におけるブロック内部の離散点の波動データに基づき波動データを計算する。前記計算手段6は前記時刻におけるブロックの隣接ブロックに接する面及びその近傍の波動データを計算する場合に前記時刻以前のブロック内部の離散点の波動データ及び前記隣接ブロックの前記面及びその近傍における離散点の波動データに基づき波動データを計算する(請求項10に対応)。
【0016】
また、前記判定手段4は、判定テーブル41、比較手段42、識別手段43を備える。判定テーブル41はブロック毎に前記判定離散点における波動データを記憶する。比較手段42はブロック毎に前記判定テーブル41に記憶された判定離散点の波動データを所定値と比較する。識別手段43は前記判定離散点の波動データが所定値よりも大きい場合にそのブロックの波動データの計算を行うことを示す識別情報をブロック番号情報とともに前記計算手段6に出力する。
【0017】
前記計算手段6は、前記識別手段43からの識別情報及びブロック番号情報に対応するブロックのみそのブロックに含まれる全ての離散点の波動データの空間的及び時間的変化を計算する(請求項11に対応)。
【0018】
さらに、前記分割手段2は、分割されたブロック毎に各ブロックに含まれる前記離散格子の数、離散格子の大きさの情報を記憶する解析領域テーブル21を備える(請求項12に対応)。
【0019】
また、前記特定の離散点の波動データは、パルス状の励振によって変化させてもよい(請求項13に対応)。前記波動データは電磁波データであり、前記電磁波データは所定の方向に沿って伝搬する(請求項14に対応)。
【0020】
第2の発明の波動解析装置は図2に示すように有限空間の解析領域を複数の離散点により表し解析領域の全ての離散点の中の特定の離散点の波動データが変化したときその変化が他の離散点の波動データの空間的及び時間的変化として伝わっていく状態を解析する。波動解析装置は分割手段2、主記憶手段3、計算手段6、補助記憶手段5、制御手段7とを備える。
【0021】
分割手段2は波動データの解析に必要ないくつかの離散点からなる離散格子のサイズよりも大きいサイズでもって解析領域を複数のブロックに分割する。主記憶手段3は前記分割手段2により分割された複数のブロックの中の1つのブロックに含まれる離散点の波動データ及び前記1つのブロックに隣接したブロックの前記1つのブロックと接する面及びその近傍の波動データを記憶する。
【0022】
計算手段6は前記主記憶手段3に記憶されたブロックに含まれる全ての離散点の波動データの空間的及び時間的変化を計算する。補助記憶手段5は前記1つのブロックを除く他の全てのブロックに含まれる離散点の波動データを記憶する。制御手段7は前記主記憶手段3に記憶された1つのブロック内の波動データの計算が終了する毎に前記主記憶手段3と前記補助記憶手段5との間で波動データを交換する(請求項15に対応)。
【0023】
主記憶手段3はランダムアクセスメモリ、キャシュメモリなどである。補助記憶手段5はハードディスク、光磁気ディスク、磁気テープなどである。計算手段6、制御手段7はCPUなどである。
【0024】
また、前記計算手段6は、ある時刻におけるブロック内部の波動データを計算する場合に前記時刻以前におけるブロック内部の離散点の波動データに基づき波動データを計算する。前記計算手段6は、前記時刻におけるブロックの隣接ブロックに接する面及びその近傍の波動データを計算する場合に前記時刻以前のブロック内部の離散点の波動データ及び前記隣接ブロックの前記面及びその近傍における離散点の波動データに基づき波動データを計算する(請求項16に対応)。
<本発明の波動解析方法>
また、第3の発明の波動解析方法は図3に示すように有限空間の解析領域を複数の離散点により表し解析領域の全ての離散点の中の特定の離散点の波動データが変化したときその変化が他の離散点の波動データの空間的及び時間的変化として伝わっていく状態を解析する。波動解析方法は分割ステップS1、判定ステップS2、計算ステップS3とを含む。
【0025】
分割ステップS1は波動データの解析に必要ないくつかの離散点からなる離散格子のサイズよりも大きいサイズでもって解析領域を複数のブロックに分割する。判定ステップS2は前記分割された各ブロックに含まれる全ての離散点の中の予め定められた判定離散点の波動データが所定値よりも大きいか否かを各ブロック毎に判定する。計算ステップS3は前記判定離散点の波動データが所定値よりも大きい場合におけるブロックのみそのブロックに含まれる全ての離散点の波動データの空間的及び時間的変化を計算する(請求項1に対応)。
【0026】
また、前記計算ステップS3は、ある時刻におけるブロック内部の波動データを計算する場合に前記時刻以前におけるブロック内部の離散点の波動データに基づき波動データを計算し、前記時刻におけるブロックの隣接ブロックに接する面及びその近傍の波動データを計算する場合に前記時刻以前のブロック内部の離散点の波動データ及び前記隣接ブロックの前記面及びその近傍における離散点の波動データに基づき波動データを計算する(請求項2に対応)。
【0027】
また、前記判定ステップS2は、ブロック毎に前記判定離散点における波動データを記憶する記憶ステップ、ブロック毎に前記記憶された判定離散点の波動データを所定値と比較する比較ステップ、前記判定離散点の波動データが所定値よりも大きい場合にそのブロックの波動データの計算を行うことを示す識別情報をブロック番号情報とともに出力する識別ステップとを備える。
【0028】
前記計算ステップは、前記識別情報及びブロック番号情報に対応するブロックのみそのブロックに含まれる全ての離散点の波動データの空間的及び時間的変化を計算する(請求項3に対応)。
【0029】
前記分割ステップは、分割されたブロック毎に各ブロックに含まれる前記離散格子の数、離散格子の大きさの情報を記憶する(請求項4に対応)。
また、第4の発明の波動解析方法は、図4に示すように有限空間の解析領域を複数の離散点により表し解析領域の全ての離散点の中の特定の離散点の波動データが変化したときその変化が他の離散点の波動データの空間的及び時間的変化として伝わっていく状態を解析する。
【0030】
前記波動解析方法は波動データの解析に必要ないくつかの離散点からなる離散格子のサイズよりも大きいサイズでもって解析領域を複数のブロックに分割する分割ステップ、分割された複数のブロックの中の1つのブロックに含まれる離散点の波動データ及び前記1つのブロックに隣接したブロックの前記1つのブロックと接する面及びその近傍の波動データを主記憶手段に記憶するステップ、前記主記憶手段に記憶されたブロックに含まれる全ての離散点の波動データの空間的及び時間的変化を計算する計算ステップ、前記1つのブロックを除く他の全てのブロックに含まれる離散点の波動データを補助記憶手段に記憶するステップ、前記主記憶手段に記憶された1つのブロック内の波動データの計算が終了する毎に前記主記憶手段と前記補助記憶手段との間で波動データを交換する制御ステップとを備える(請求項7に対応)。
【0031】
さらに、前記計算ステップは、ある時刻におけるブロック内部の波動データを計算する場合に前記時刻以前におけるブロック内部の離散点の波動データに基づき波動データを計算し、前記時刻におけるブロックの隣接ブロックに接する面及びその近傍の波動データを計算する場合に前記時刻以前のブロック内部の離散点の波動データ及び前記隣接ブロックの前記面及びその近傍における離散点の波動データに基づき波動データを計算する(請求項8に対応)。
【0032】
【作用】
本発明によれば、分割手段が離散格子のサイズよりも大きいサイズで解析領域を複数のブロックに分割すると、判定手段は分割された各ブロックに含まれる判定離散点の波動データが所定値よりも大きいか否かを各ブロック毎に判定する。計算手段は判定離散点の波動データが所定値よりも大きい場合におけるブロックのみそのブロックに含まれる全ての離散点の波動データの空間的及び時間的変化を計算する。
【0033】
すなわち、判定離散点の波動データが所定値よりも小さい場合のブロックは波動データの計算を行わなくともよいので、波動データの計算時間が短縮できる。
前記計算手段は、以前のブロック内部の離散点の波動データや隣接ブロックの接続面における離散点の波動データに基づき波動データを計算するので、波動データの時間的変化が正確に求められる。
【0034】
また、比較手段がブロック毎に判定テーブルに記憶された判定離散点の波動データを所定値と比較し、識別手段は判定離散点の波動データが所定値よりも大きい場合にそのブロックの波動データの計算を行うことを示す識別情報とブロック番号情報を出力し、計算手段は識別情報とブロック番号情報によりそのブロックのみ波動データを計算するので、計算時間が短縮できる。
【0035】
各ブロックに含まれる離散格子の数、離散格子の大きさの情報を用いてブロック毎にブロック内の波動データの計算を行うことができる。
また、前記特定の離散点の波動データが、パルス状の励振によって変化する場合には、その波動のエネルギーは空間的に有限な範囲で分布し、その範囲外では波動データは変化しないから、その範囲外の計算が省略できる。
【0036】
さらに、前記電磁波データは所定の方向に沿って伝搬する場合には、その方向に沿ったいくつかの判定離散点での波動データ計算の要否判定で済むので、計算時間が大幅に短縮できる。
【0037】
また、主記憶手段は分割された複数のブロックの中の1つのブロックに含まれる離散点の波動データを記憶するのみであるので、主記憶手段の容量が少なくて済む。また、計算手段が主記憶手段に記憶された1つのブロックに含まれる全ての離散点の波動データの計算を終了した場合には、制御手段は補助記憶手段に記憶された他の1つのブロックの波動データを主記憶手段に読み出すので、計算手段は他の1つのブロックの波動データを計算することができる。
【0038】
【実施例】
以下、本発明の波動解析方法及びその装置の実施例を図面を参照して説明する。図5は本発明の波動解析装置の一実施例を示すハードウェア構成図である。波動解析装置は有限空間の解析領域を複数の離散点により表し解析領域の全ての離散点の中の特定の離散点の電磁波データが変化したとき全ての離散点の電磁波データの空間的及び時間的変化を解析する。
【0039】
実施例では、波動データは電磁波データであり、マックスウェル方程式により電磁波データの時間的及び空間的な変化を計算する。なお、波動データは、例えば弾性波データ、音波データ、地震波データなどであってもよい。
【0040】
波動解析装置は図5に示すように電磁波の解析を実行する中央処理装置(CPU)1、電磁波データを記憶する主記憶装置3、電磁波データを記憶する補助記憶装置5、各種のデータを入力するキーボード8を備える。各部はバス10によって相互に接続される。
【0041】
図6は前記波動解析装置の主要部を示す構成ブロック図である。波動解析装置は、分割部2、分割部2に接続される判定部4、判定部4に接続される計算部6を備える。また、波動解析装置は、分割部2に接続される主記憶装置3及び補助記憶装置5、主記憶装置3及び補助記憶装置5に接続される制御部7を備える。主記憶装置3は計算部6に接続される。
【0042】
なお、前記判定部4、計算部6、制御部7の機能は前記CPU1の機能である。
前記分割部2は電磁波データの解析に必要ないくつかの離散点からなる離散格子のサイズよりも大きいサイズでもって解析領域を複数のブロックに分割する。前記分割部2は、分割されたブロック毎に各ブロックに含まれる前記離散格子の数、離散格子の大きさの情報を記憶する解析領域テーブル21を備える。前記離散格子は例えば、電磁波の波長の20分の1以下程度である。
【0043】
前記判定部4は、前記分割部2により分割された各ブロックに含まれる全ての離散点の中の予め定められた判定離散点の電磁波データが所定値よりも大きいか否かを各ブロック毎に判定する。
【0044】
前記計算部6は判定離散点の電磁波データが所定値よりも大きい場合におけるブロックのみそのブロックに含まれる全ての離散点の電磁波データの空間的及び時間的変化を計算する。
【0045】
この場合、前記計算部2は、ある時刻におけるブロック内部の電磁波データを計算する場合に前記時刻以前におけるブロック内部の離散点の電磁波データに基づき電磁波データを計算する。また、前記計算部2は、前記時刻におけるブロックの隣接ブロックに接する面の電磁波データを計算する場合に前記時刻以前のブロック内部の離散点の電磁波データ及び前記隣接ブロックの前記面における離散点の電磁波データに基づき電磁波データを計算する。
【0046】
さらに、前記判定部4は、判定テーブル41、比較部42、識別部43とを備える。前記判定テーブル41はブロック毎に前記判定離散点における電磁波データを記憶する。比較部42はブロック毎に前記判定テーブル41に記憶された判定離散点の電磁波データを所定値と比較する。
【0047】
識別部43は前記判定離散点の電磁波データが所定値よりも大きい場合にそのブロックの電磁波データの計算を行うことを示す識別情報をブロック番号情報とともに前記計算部6に出力する。前記計算部6は、前記識別部43からの識別情報及びブロック番号情報に対応するブロックのみそのブロックに含まれる全ての離散点の電磁波データの空間的及び時間的変化を計算する。
【0048】
前記特定の離散点の電磁波データは、パルス状の励振によって変化する。前記電磁波データは所定の方向に沿って伝搬する。
また、前記主記憶装置3は、前記分割部2により分割された複数のブロックの中の1つのブロックに含まれる離散点の電磁波データを記憶する。また、前記計算部6は、前記主記憶装置3に記憶されたブロックに含まれる全ての離散点の電磁波データの空間的及び時間的変化を計算する。
【0049】
補助記憶装置5は、前記1つのブロックを除く他の全てのブロックに含まれる離散点の電磁波データを記憶する。制御部7は、前記主記憶装置3に記憶された1つのブロック内の電磁波データの計算が終了する毎に前記主記憶装置3と前記補助記憶装置5との間で電磁波データを交換する。
<実施例の動作>
次に、このように構成された波動解析装置の実施例によって実現される波動解析方法を図面を参照して説明する。ここでは、異方性、分散性がない媒質に対して直交座標系における有限差分時間領域法を用いて、解析すべき有限空間に存在するマイクロストリップラインを伝搬する電磁波を解析する。
【0050】
まず、図7に示すように空気からなる空間領域51が設定される。この空間領域51の下部にはプリント基板53が設けられ、基板53はZ方向に沿って伸びている。基板53の上面にはZ方向に沿って導体からなるストリップライン52が設けられる。電磁波はストリップライン52に沿って伝搬する。
【0051】
次に、分割部2は図8に示すように、前記空間領域51と基板53からなる領域とを4つのブロックBL1〜BL4にZ方向に沿って均等に分割する(ステップ101)。各ブロックは複数の離散格子B(i,j,k)から構成される。各ブロック内の各離散格子間隔(サイズ)は、dx成分が1.0、dy成分が0.8、dz成分が2.0である。
【0052】
また、各ブロック内の複数の離散格子はx方向に50個、y方向に70個、z方向に400個からなる。このため、前記解析すべき空間領域51及び基板53の領域の大きさはx方向が50×dx、y方向が70×dy、z方向が400×dzである。各ブロック毎に前記離散格子間隔、離散格子の数はキーボード8から入力される。
【0053】
また、各離散格子B(i,j,k)は図9に示すように複数の離散点(白丸、黒丸で示す。)から構成され、各離散点は、電磁界成分Ex,Ey,Ez,Hx,Hy,Hz、誘電率εx,εy,εz、透磁率μx,μy,μz、導電率σx,σy,σzをもつ。
【0054】
次に、分割部2は入力された各ブロックの離散格子間隔、離散格子の数に基づき図10に示すように各ブロック毎の解析領域テーブル21を作成する(ステップ102)。解析領域テーブル21は、ブロック毎に計算要否フラグ、空間離散数、空間離散間隔、基準格子を格納する。テーブル21内において、()内の数字はブロック番号を示す。計算要否フラグについては、後述する。
【0055】
基準格子は図8に示すように各ブロック内の基準(原点格子)となるべき離散格子である。ブロックBL1では、基準格子はBI(1)が1、BJ(1)が1、BK(1)が1であり、ブロックBL4では、基準格子はBI(4)が1、BJ(4)が1、BK(4)が300である。これはブロックがZ方向(K方向)に沿って分割されているからである。
【0056】
次に、判定部4は判定テーブル41を作成する(ステップ103)。ここでは、
判定テーブル41はブロック毎に電磁波データの計算を行うべきかを判定するための特定の離散格子の電界Eyを格納する。特定の離散格子の電界Eyは図11に示すようにマイクロストリップライン52の真下のY方向の電界成分である。判定テーブル41は図12に示すように特定の離散格子のY方向の電界成分としてEy(NB,26,20,k)をブロック毎に格納する。
【0057】
ここで、NBはブロック番号である。数字26はX方向に沿って26番目の離散格子であることを示す。数字20はY方向に沿って20番目の離散格子であることを示す。kはZ方向に沿う1から100までの離散格子である。また、各ブロック毎のデータとしてkが1から2までの電界成分Ey、kが99から100までの電界成分Eyがある。
【0058】
これらの電界成分は対象となるブロックに隣接したブロックの電界成分を考慮したものである。例えば、ブロックBL2の電界成分はブロックBL1のEy(1,26,20,k=99から100)、ブロックBL2のEy(2,26,20,k=1から100)、ブロックBL3のEy(3,26,20,1から2)から構成される。
【0059】
次に、判定部4は電磁波データの解析を行うために必要なその他のテーブルとして図示しない物性テーブル、境界条件テーブル、励振テーブルを作成する(ステップ104)。物性テーブルは誘電率ε、透磁率μ、導電率σなどの物性データを格納する。境界条件テーブルは、電気壁領域、磁気壁領域、吸収境界領域のデータを格納する。励振テーブルは励振を行う離散点、励振波形に関するデータを格納する。
【0060】
次に、比較部42は各ブロック毎に、判定テーブル41に格納された特定の離散格子の電界Eyを所定値ηと比較する(ステップ105)。ここで、所定値ηは例えば、10-10である。
【0061】
識別部43は各ブロック毎に、そのブロック内の判定離散格子の電界が所定値よりも大きい場合には、識別フラグFLG(NB)を“1”に設定する。すなわち、ブロックBL1において、Ey(1,26,20,k=1〜100)がηよりも大きく、かつEy(2,26,20,k=1〜2)がηよりも大きい場合には、FLG(1)を“1”に設定する。
【0062】
一方、ブロックBL1において、Ey(1,26,20,k=1〜100)がηよりも小さく、かつEy(2,26,20,k=1〜2)がηよりも小さい場合には、FLG(1)を“0”に設定する。
【0063】
次に、ブロックBL2において、ブロックBL1のEy(1,26,20,k=99から100)、ブロックBL2のEy(2,26,20,k=1から100)、ブロックBL3のEy(3,26,20,1から2)のうちのどれか1つでも所定値ηよりも大きい場合には、FLG(2)を“1”に設定する。
【0064】
一方、ブロックBL1のEy(1,26,20,k=99から100)、ブロックBL2のEy(2,26,20,k=1から100)、ブロックBL3のEy(3,26,20,1から2)の全てが所定値ηよりも小さい場合には、FLG(2)を“0”に設定する。
【0065】
同様にして、ブロックBL3、ブロックBL4において、比較部42は判定テーブル41に格納された特定の離散格子の電界Eyを所定値ηと比較する。識別部43はそのブロック内の判定離散格子の電界が1つでも、所定値よりも大きい場合には、識別フラグFLG(NB)を“1”に設定し、そのブロック内の判定離散格子の電界が全て所定値よりも小さい場合には、識別フラグFLG(NB)を“0”に設定する。
【0066】
すなわち、識別部43はブロック毎に電磁波データの計算要否の結果としてFLG“1”またはFLG“0”を計算部6に出力する。
前記計算部6は識別部43からのブロック毎のFLG“0”に基づき、判定離散点の電磁波データが全て所定値よりも小さい場合におけるブロックの離散点の電磁波データの計算を行わないで、ステップ108の処理に進む。
【0067】
すなわち、判定離散点の電磁波データが全て所定値よりも小さい場合のブロックに含まれる全ての離散点におけるは電磁波データの計算を行わなくともよいので、電磁波データの計算時間が短縮できる。
【0068】
例えば、パルス状の励振を特定の離散点から行い、ストリップラインに沿って電磁波が伝搬する。すなわち、電磁波の波形の幅及び分散による波形の広がりがブロックの大きさに比較して十分に小さい場合には、電界Eyの電磁波エネルギーの状態は図14、図15に示すように分類される。図14に示す時間では、時刻tAから時刻tBまでの間、電磁波エネルギーはブロックBL2の領域に存在するため、他のブロックについての電磁波データの計算を省略できる。
【0069】
また、図15に示す時間では、時刻tCから時刻tDまでの間、電磁波エネルギーはブロックBL2及びブロックBL3の領域に存在するため、他のブロックについての電磁波データの計算を省略できる。
【0070】
なお、電磁波データの計算要否の判定についての判定離散点の数は計算すべき離散点の数よりもかなり少ないので、判定に要する時間は特に問題にならない。
一方、前記計算部6は識別部43からのブロック毎のFLG“1”に基づき、判定離散点の電磁波データが所定値よりも大きい場合におけるブロックのみそのブロックに含まれる全ての離散点の電磁波データの空間的及び時間的変化を計算する(ステップ107)。
【0071】
計算部6では、以下に示すマックスウェル方程式を用いてブロックに含まれる全ての離散点の電磁波データの空間的及び時間的変化を計算する。
【0072】
【数1】
【0073】
【数2】
【0074】
また、空間上の点を図9に示すように配置することによって直交座標系におけるマックスウェル方程式の差分化が行える。
すなわち、時間的な差分化は、式(3)で表される。
【0075】
【数3】
【0076】
すなわち、空間的な差分化は、式(4)で表される。
【0077】
【数4】
【0078】
前記計算部6は(1)から(4)の式を用いて、電界E(NB,i,j,k)及び磁界H(NB,i,j,k)を計算する。
この場合、前記計算部2は、ある時刻t+△tにおけるブロック内部の電磁波データを計算する場合に時刻tにおけるブロック内部の離散点の電磁波データに基づき電磁波データを計算する。
【0079】
また、前記計算部2は、時刻t+△tにおけるブロックの隣接ブロックに接する面及びその近傍の電磁波データを計算する場合に時刻tのブロック内部の離散点の電磁波データ及び前記隣接ブロックの前記面及びその近傍における離散点の電磁波データに基づき電磁波データを計算する。
【0080】
ここでは、主記憶装置3と補助記憶装置5との間のデータの授受に着目して、時刻t+△tの電磁波データをブロック毎に順次計算していく処理を図16から図23を参照して詳細に説明する。
【0081】
図中において、BDはブロック内部(境界面上を含む)の電磁波データを表し、BDの後の数字はブロック番号を表す。SDはブロックの接続面に接した離散格子上の電磁波データを表し、SDの後の数字のピリオドの左の数字は離散格子が存在するブロック番号を表する。ピリオドの右の数字は接続しているブロック番号を示し、括弧内のtは時刻を表す。
【0082】
まず、図16に示すように、(1)において、制御部7は時刻tにおけるブロックBL1の電磁波データBD1(t)を補助記憶装置5から読み出し、主記憶装置3に書き込む。また、時刻tにおけるブロックBL2のブロックBL1側の面に接した離散格子上の電磁波データSD2.1(t)を補助記憶装置5から読み出して主記憶装置3に書き込む。
次に、(2)において、計算部6はブロックBL1の電磁波データについて、有限差分時間領域法を用いて電磁波データBD1(t)、SD2.1(t)により電磁波データBD1(t+dt)を求める。
【0083】
次に、図17に示すように、(3)において、制御部7は、計算された時刻t+△tにおけるブロックBL1の電磁波データBD1(t+dt)の中からブロックBL2側の面に接した離散格子上の電磁波データSD1.2(t+dt)を抽出し、補助記憶装置5に送る。
【0084】
さらに、制御部7は、(4)において、計算された時刻t+dtにおけるブロックBL1の電磁波データBD1(t+dt)を補助記憶装置5に送り、記憶されていた時刻tの電磁波データBD1(t)に対して上書きする。
【0085】
次に、図18に示すように、(5)において、制御部7は時刻tにおけるブロックBL2の電磁波データBD2(t)を補助記憶装置5から読み出し、主記憶装置3に書き込む。また、時刻tにおけるブロックBL1のブロックBL2側の面に接した離散格子上の電磁波データSD1.2(t)及びブロックBL3のブロックBL2側の面に接した離散格子上の電磁波データSD3.2(t)を補助記憶装置5から読み出して主記憶装置3に書き込む。
【0086】
次に、(6)において、制御部7は時刻tにおけるブロックBL1のブロックBL2側の面に接した離散格子上の電磁波データSD1.2(t)を消去する。(7)において、計算部6はブロックBL2の電磁波データについて、有限差分時間領域法を用いて電磁波データBD2(t)、SD1.2(t)、SD3.2(t)により電磁波データBD2(t+dt)を求める。
【0087】
次に、図19に示すように、(8)において、制御部7は、計算された時刻t+△tにおけるブロックBL2の電磁波データBD2(t+dt)の中からブロックBL1側の面に接した離散格子上の電磁波データSD2.1(t+dt)及びブロックBL3側の面に接した離散格子上の電磁波データSD2.3(t+dt)を抽出し、補助記憶装置5に送る。
【0088】
さらに、制御部7は、(9)において、計算された時刻t+dtにおけるブロックBL2の電磁波データBD2(t+dt)を補助記憶装置5に送り、記憶されていた時刻tの電磁波データBD2(t)に対して上書きする。
【0089】
また、制御部7は、計算された時刻t+dtにおけるブロックBL2のブロックBL1側の面に接した離散格子上の電磁波データSD2.1(t+dt)を補助記憶装置5に出力し、記憶されていた時刻tにおける電磁波データSD2.1(t)に上書きする。
【0090】
制御部7は、計算された時刻t+dtにおけるブロックBL2のブロックBL3側の面に接した離散格子上の電磁波データSD2.3(t+dt)を補助記憶装置5に出力し、記憶されていた時刻tにおける電磁波データSD2.3(t)に上書きする。
【0091】
次に、図20に示すように、(10)において、制御部7は時刻tにおけるブロックBL3の電磁波データBD3(t)を補助記憶装置5から読み出し、主記憶装置3に書き込む。また、時刻tにおけるブロックBL2のブロックBL3側の面に接した離散格子上の電磁波データSD2.3(t)及びブロックBL4のブロックBL3側の面に接した離散格子上の電磁波データSD4.3(t)を補助記憶装置5から読み出して主記憶装置3に書き込む。
【0092】
次に、(11)において、制御部7は時刻tにおけるブロックBL2のブロックBL3側の面に接した離散格子上の電磁波データSD2.3(t)を消去する。
【0093】
(12)において、計算部6はブロックBL3の電磁波データについて、有限差分時間領域法を用いて電磁波データBD3(t)、SD2.3(t)、SD4.3(t)により電磁波データBD3(t+dt)を求める。
【0094】
次に、図21に示すように、(13)において、制御部7は、計算された時刻t+△tにおけるブロックBL3の電磁波データBD3(t+dt)の中からブロックBL2側の面に接した離散格子上の電磁波データSD3.2(t+dt)及びブロックBL4側の面に接した離散格子上の電磁波データSD3.4(t+dt)を抽出し、補助記憶装置5に送る。
【0095】
さらに、制御部7は、(14)において、計算された時刻t+dtにおけるブロックBL3の電磁波データBD3(t+dt)を補助記憶装置5に送り、記憶されていた時刻tの電磁波データBD3(t)に対して上書きする。
【0096】
また、制御部7は、計算された時刻t+dtにおけるブロックBL3のブロックBL2側の面に接した離散格子上の電磁波データSD3.2(t+dt)を補助記憶装置5に出力し、記憶されていた時刻tにおける電磁波データSD3.2(t)に上書きする。
【0097】
制御部7は、計算された時刻t+dtにおけるブロックBL3のブロックBL4側の面に接した離散格子上の電磁波データSD3.4(t+dt)を補助記憶装置5に出力し、記憶されていた時刻tにおける電磁波データSD3.4(t)に上書きする。
【0098】
次に、図22に示すように、(15)において、制御部7は時刻tにおけるブロックBL4の電磁波データBD4(t)を補助記憶装置5から読み出し、主記憶装置3に書き込む。また、時刻tにおけるブロックBL3のブロックBL4側の面に接した離散格子上の電磁波データSD3.4(t)を補助記憶装置5から読み出して主記憶装置3に書き込む。
【0099】
次に、(16)において、制御部7は時刻tにおけるブロックBL3のブロックBL4側の面に接した離散格子上の電磁波データSD3.4(t)を消去する。
【0100】
(17)において、計算部6はブロックBL4の電磁波データについて、有限差分時間領域法を用いて電磁波データBD4(t)、SD3.4(t)により電磁波データBD4(t+dt)を求める。
【0101】
次に、図23に示すように、(18)において、制御部7は、計算された時刻t+dtにおけるブロックBL4の電磁波データBD4(t+dt)の中からブロックBL3側の面に接した離散格子上の電磁波データSD4.3(t+dt)を抽出し、補助記憶装置5に送る。
【0102】
さらに、制御部7は、(19)において、計算された時刻t+dtにおけるブロックBL4の電磁波データBD4(t+dt)を補助記憶装置5に送り、記憶されていた時刻tの電磁波データBD4(t)に対して上書きする。
【0103】
また、制御部7は、計算された時刻t+dtにおけるブロックBL4のブロックBL3側の面に接した離散格子上の電磁波データSD4.3(t+dt)を補助記憶装置5に出力し、記憶されていた時刻tにおける電磁波データSD4.3(t)に上書きする。
【0104】
以上の説明によれば、主記憶装置3は分割された複数のブロックの中の1つのブロックに含まれる離散点の電磁波データを記憶するのみであるので、主記憶装置3の容量が少なくて済む。また、計算部6が主記憶装置3に記憶された1つのブロックに含まれる全ての離散点の電磁波データの計算を終了した場合には、制御部7は補助記憶装置5に記憶された他の1つのブロックの電磁波データを主記憶装置3に読み出すので、計算部6は他の1つのブロックの電磁波データを計算することができる。
【0105】
また、以上の説明では、時刻tの電磁波データから時刻t+dtの電磁波データを求めたが、この処理は時間ステップ数がNステップ(STEP)を越えるまで、ステップ105からステップ107までの処理が繰り返し行われる。
【0106】
【発明の効果】
本発明によれば、分割手段が離散格子のサイズよりも大きいサイズで解析領域を複数のブロックに分割すると、判定手段は分割された各ブロックに含まれる判定離散点の波動データが所定値よりも大きいか否かを各ブロック毎に判定する。計算手段は判定離散点の波動データが所定値よりも大きい場合におけるブロックのみそのブロックに含まれる全ての離散点の波動データの空間的及び時間的変化を計算する。
【0107】
すなわち、判定離散点の波動データが所定値よりも小さい場合のブロックは波動データの計算を行わなくともよいので、波動データの計算時間が短縮できる。前記計算手段は、以前のブロック内部の離散点の波動データや隣接ブロックの接続面における離散点の波動データに基づき波動データを計算するので、波動データの時間的変化が正確に求められる。
【0108】
また、比較手段がブロック毎に判定テーブルに記憶された判定離散点の波動データを所定値と比較し、識別手段は判定離散点の波動データが所定値よりも大きい場合にそのブロックの波動データの計算を行うことを示す識別情報とブロック番号情報を出力し、計算手段は識別情報とブロック番号情報によりそのブロックのみ波動データを計算するので、計算時間が短縮できる。
【0109】
各ブロックに含まれる離散格子の数、離散格子の大きさの情報を用いてブロック毎にブロック内の波動データの計算を行うことができる。
また、前記特定の離散点の波動データが、パルス状の励振によって変化する場合には、その波動のエネルギーは空間的に有限な範囲で分布し、その範囲外では波動データは変化しないから、その範囲外の計算が省略できる。
【0110】
さらに、前記電磁波データは所定の方向に沿って伝搬する場合には、計算の要否判定が、その方向に沿ったいくつかの判定離散点での波動データ計算で済むので、計算時間が大幅に短縮できる。
【0111】
また、主記憶手段は分割された複数のブロックの中の1つのブロックに含まれる離散点の波動データを記憶するのみであるので、主記憶手段の容量が少なくて済む。また、計算手段が主記憶手段に記憶された1つのブロックに含まれる全ての離散点の波動データの計算を終了した場合には、制御手段は補助記憶手段に記憶された他の1つのブロックの波動データを主記憶手段に読み出すので、計算手段は他の1つのブロックの波動データを計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の発明の波動解析装置を示す原理図である。
【図2】第2の発明の波動解析装置を示す原理図である。
【図3】第3の発明の波動解析方法を示すフローチャートである。
【図4】第4の発明の波動解析方法を示すフローチャートである。
【図5】本発明の波動解析装置の一実施例のハードウェア構成図である。
【図6】前記実施例の主要部を示す構成ブロック図である。
【図7】解析すべき空間領域を示す図である。
【図8】複数のブロックの各ブロックを示す図である。
【図9】各離散点を示す図である。
【図10】解析領域テーブルを示す図である。
【図11】判定すべきY方向の電界を示す図である。
【図12】判定テーブルを示す図である。
【図13】ブロック分割法による電磁波解析フローチャートである。
【図14】ブロックBL2のみに存在する電界Eyを示す図である。
【図15】ブロックBL2及びブロックBL3のみに存在する電界Eyを示す図である。
【図16】時刻tにおけるブロックBL1の電磁波データの主記憶装置への書き込みを示す図である。
【図17】時刻t+dtにおけるブロックBL1の電磁波データの補助記憶装置への書き込みを示す図である。
【図18】時刻tにおけるブロックBL2の電磁波データの主記憶装置への書き込みを示す図である。
【図19】時刻t+dtにおけるブロックBL2の電磁波データの補助記憶装置への書き込みを示す図である。
【図20】時刻tにおけるブロックBL3の電磁波データの主記憶装置への書き込みを示す図である。
【図21】時刻t+dtにおけるブロックBL3の電磁波データの補助記憶装置への書き込みを示す図である。
【図22】時刻tにおけるブロックBL4の電磁波データの主記憶装置への書き込みを示す図である。
【図23】時刻t+dtにおけるブロックBL4の電磁波データの補助記憶装置への書き込みを示す図である。
【図24】電磁波エネルギーの時間的な変化を示す図である。
【図25】Y方向の電界の空間的及び時間的を示す図である。
【符号の説明】
1・・CPU
2・・分割部
3・・主記憶装置
4・・判定部
5・・補助記憶装置
6・・計算部
7・・制御部
8・・キーボード
21・・解析領域テーブル
41・・判定テーブル
42・・比較部
43・・識別部
Claims (16)
- 有限空間の解析領域を複数の離散点により表し解析領域の全ての離散点の中の特定の離散点の波動データが変化したときその変化が他の離散点の波動データの空間的及び時間的変化として伝わっていく状態を解析する波動解析方法であって、
波動データの解析に必要ないくつかの離散点からなる離散格子のサイズよりも大きいサイズでもって解析領域を複数のブロックに分割する分割ステップと、
前記分割された複数のブロックの中の1つのブロックに含まれる離散点の波動データ及び前記1つのブロックに隣接したブロックの前記1つのブロックと接する面及びその近傍の波動データを主記憶手段に記憶するステップと、
前記1つのブロックを除く他の全てのブロックに含まれる離散点の波動データを補助記憶手段に記憶するステップと、
前記主記憶手段に記憶された分割された各ブロックに含まれる全ての離散点の中の予め定められた判定離散点の波動データが、所定値よりも大きいか否かを各ブロック毎に判定する判定ステップと、
前記主記憶手段に記憶された離散点の波動データのうち、前記判定離散点の波動データが所定値よりも大きいと判定された場合におけるブロックのみ、そのブロックに含まれる全ての離散点の波動データの空間的及び時間的変化を計算する計算ステップと、
前記主記憶手段に記憶されたブロック内の波動データの計算が終了するか、または、前記主記憶手段に記憶されたブロックの前記判定離散点の波動データが所定値よりも大きいと判定されなかった場合に、前記主記憶手段と前記補助記憶手段との間で波動データを交換する制御ステップと、
を備える波動解析方法。 - 前記計算ステップは、ある時刻におけるブロック内部の波動データを計算する場合に前記時刻以前におけるブロック内部の離散点の波動データに基づき波動データを計算し、前記時刻におけるブロックの隣接ブロックに接する面及びその近傍の波動データを計算する場合に前記時刻以前のブロック内部の離散点の波動データ及び前記隣接ブロックの前記面及びその近傍における離散点の波動データに基づき波動データを計算する請求項1に記載の波動解析方法。
- 前記判定ステップは、
ブロック毎に前記判定離散点における波動データを記憶する記憶ステップと、
ブロック毎に前記記憶された判定離散点の波動データを所定値と比較する比較ステップと、
前記判定離散点の波動データが所定値よりも大きい場合にそのブロックの波動データの計算を行うことを示す識別情報をブロック番号情報とともに出力する識別ステップと
を備え、
前記計算ステップは、前記識別情報及びブロック番号情報に対応するブロックのみそのブロックに含まれる全ての離散点の波動データの空間的及び時間的変化を計算する請求項1に記載の波動解析方法。 - 前記分割ステップは、分割されたブロック毎に各ブロックに含まれる前記離散格子の数、離散格子の大きさの情報を記憶する請求項1に記載の波動解析方法。
- 前記特定の離散点の波動データは、パルス状の励振によって変化する請求項1に記載の波動解析方法。
- 前記波動データは電磁波データであり、前記電磁波データは所定の方向に沿って伝搬する請求項5に記載の波動解析方法。
- 有限空間の解析領域を複数の離散点により表し解析領域の全ての離散点の中の特定の離散点の波動データが変化したときその変化が他の離散点の波動データの空間的及び時間的変化として伝わっていく状態を解析する波動解析方法であって、
波動データの解析に必要ないくつかの離散点からなる離散格子のサイズよりも大きいサイズでもって解析領域を複数のブロックに分割する分割ステップと、
前記分割された複数のブロックの中の1つのブロックに含まれる離散点の波動データ及び前記1つのブロックに隣接したブロックの前記1つのブロックと接する面及びその近傍の波動データを主記憶手段に記憶するステップと、
前記主記憶手段に記憶されたブロックに含まれる全ての離散点の波動データの空間的及び時間的変化を計算する計算ステップと、
前記1つのブロックを除く他の全てのブロックに含まれる離散点の波動データを補助記憶手段に記憶するステップと、
前記1つのブロックに隣接したブロックの前記1つのブロックと接する面及びその近傍の波動データを主記憶手段に記憶するステップと、
前記主記憶手段に記憶された1つのブロック内の波動データの計算が終了する毎に前記主記憶手段と前記補助記憶手段との間で波動データを交換する制御ステップと
を備える波動解析方法。 - 前記計算ステップは、ある時刻におけるブロック内部の波動データを計算する場合に前記時刻以前におけるブロック内部の離散点の波動データに基づき波動データを計算し、前記時刻におけるブロックの隣接ブロックに接する面及びその近傍の波動データを計算する場合に前記時刻以前のブロック内部の離散点の波動データ及び前記隣接ブロックの前記面及びその近傍における離散点の波動データに基づき波動データを計算する請求項7に記載の波動解析方法。
- 有限空間の解析領域を複数の離散点により表し解析領域の全ての離散点の中の特定の離散点の波動データが変化したときその変化が他の離散点の波動データの空間的及び時間的変化として伝わっていく状態を解析する波動解析装置であって、
波動データの解析に必要ないくつかの離散点からなる離散格子のサイズよりも大きいサイズでもって解析領域を複数のブロックに分割する分割手段と、
前記分割手段により分割された複数のブロックの中の1つのブロックに含まれる離散点の波動データ及び前記1つのブロックに隣接したブロックの前記1つのブロックと接する面及びその近傍の波動データを記憶する主記憶手段と、
前記1つのブロックを除く他の全てのブロックに含まれる離散点の波動データを記憶する補助記憶手段と、
前記主記憶手段に記憶された分割手段により分割された各ブロックに含まれる全ての離散点の中の予め定められた判定離散点の波動データが、所定値よりも大きいか否かを各ブロック毎に判定する判定手段と、
前記主記憶手段に記憶された離散点の波動データのうち、前記判定離散点の波動データが所定値よりも大きいと判定された場合におけるブロックのみ、そのブロックに含まれる全ての離散点の波動データの空間的及び時間的変化を計算する計算手段と、
前記主記憶手段に記憶された1つのブロック内の波動データの計算が終了するか、または、前記主記憶手段に記憶されたブロックの前記判定離散点の波動データが所定値よりも大きいと判定されなかった場合に、前記主記憶手段と前記補助記憶手段との間で波動データを交換する制御手段と
を備える波動解析装置。 - 前記計算手段は、ある時刻におけるブロック内部の波動データを計算する場合に前記時刻以前におけるブロック内部の離散点の波動データに基づき波動データを計算し、前記時刻におけるブロックの隣接ブロックに接する面及びその近傍の波動データを計算する場合に前記時刻以前のブロック内部の離散点の波動データ及び前記隣接ブロックの前記面及びその近傍における離散点の波動データに基づき波動データを計算する請求項9に記載の波動解析装置。
- 前記判定手段は、
ブロック毎に前記判定離散点における波動データを記憶した判定テーブルと、
ブロック毎に前記判定テーブルに記憶された判定離散点の波動データを所定値と比較する比較手段と、
前記判定離散点の波動データが所定値よりも大きい場合にそのブロックの波動データの計算を行うことを示す識別情報をブロック番号情報とともに前記計算手段に出力する識別手段とを備え、
前記計算手段は、
前記識別手段からの識別情報及びブロック番号情報に対応するブロックのみそのブロックに含まれる全ての離散点の波動データの空間的及び時間的変化を計算する
請求項9に記載の波動解析装置。 - 前記分割手段は、分割されたブロック毎に各ブロックに含まれる前記離散格子の数、離散格子の大きさの情報を記憶する解析領域テーブルを備える請求項9に記載の波動解析装置。
- 前記特定の離散点の波動データは、パルス状の励振によって変化する請求項9に記載の波動解析装置。
- 前記波動データは電磁波データであり、前記電磁波データは所定の方向に沿って伝搬する請求項13に記載の波動解析装置。
- 有限空間の解析領域を複数の離散点により表し解析領域の全ての離散点の中の特定の離散点の波動データが変化したときその変化が他の離散点の波動データの空間的及び時間的変化として伝わっていく状態を解析する波動解析装置であって、
波動データの解析に必要ないくつかの離散点からなる離散格子のサイズよりも大きいサイズでもって解析領域を複数のブロックに分割する分割手段と、
前記分割手段により分割された複数のブロックの中の1つのブロックに含まれる離散点の波動データ及び前記1つのブロックに隣接したブロックの前記1つのブロックと接する面及びその近傍の波動データを記憶する主記憶手段と、
前記主記憶手段に記憶されたブロックに含まれる全ての離散点の波動データの空間的及び時間的変化を計算する計算手段と、
前記1つのブロックを除く他の全てのブロックに含まれる離散点の波動データを記憶する補助記憶手段と、
前記主記憶手段に記憶された1つのブロック内の波動データの計算が終了する毎に前記主記憶手段と前記補助記憶手段との間で波動データを交換する制御手段と
を備える波動解析装置。 - 前記計算手段は、ある時刻におけるブロック内部の波動データを計算する場合に前記時刻以前におけるブロック内部の離散点の波動データに基づき波動データを計算し、前記時刻におけるブロックの隣接ブロックに接する面及びその近傍の波動データを計算する場合に前記時刻以前のブロック内部の離散点の波動データ及び前記隣接ブロックの前記面及びその近傍における離散点の波動データに基づき波動データを計算する請求項15に記載の波動解析装置。
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