JP3993557B2 - Electromagnetic field distribution simulation method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、例えばマイクロ波といった電磁波の電磁界分布をシミュレーションする電磁界分布シミュレーション方法およびその装置に関するものである。 The present invention relates to an electromagnetic field distribution simulation method and apparatus for simulating electromagnetic field distribution of electromagnetic waves such as microwaves.
一般に、電磁波はマクスウェル方程式に従う。このマクスウェル方程式を解けば電磁波の電磁界分布を得られるわけであるが、解析的に解くのは困難であり、種々の近似を行って数値計算されているのが現状である。 In general, electromagnetic waves follow Maxwell's equations. Solving this Maxwell equation can obtain the electromagnetic field distribution of the electromagnetic wave, but it is difficult to solve it analytically and is currently being numerically calculated by various approximations.
また、発電衛星に貯蔵された電力をマイクロ波によって送電するマイクロ波送電では、500kmを超える長距離を計算しなければならず、計算時間が膨大となる。 Further, in microwave power transmission in which the electric power stored in the power generation satellite is transmitted by microwaves, it is necessary to calculate a long distance exceeding 500 km, and the calculation time becomes enormous.
特に、マイクロ波送電では、途中に電離層が介在している。この電離層では、マイクロ波が通過する際に静電プラズマ波が発生することが知られている。この静電プラズマ波による影響を考慮したシミュレーションはさらに困難を極める。 In particular, in microwave power transmission, an ionosphere is interposed in the middle. In this ionosphere, it is known that an electrostatic plasma wave is generated when a microwave passes. The simulation considering the influence of this electrostatic plasma wave is even more difficult.
このような電離層による影響を考慮に入れてシミュレーションする方法として、電磁界を直接的に解くFDTD(Finite Difference Time Domain)法がある(例えば、非特許文献1参照。)。
しかし、FDTD法は、計算量が膨大であるため計算時間が長く、せいぜい数km程度の領域でしか計算できない。 However, in the FDTD method, the calculation amount is enormous and the calculation time is long, and the calculation can be performed only in an area of about several kilometers at most.
一方、計算時間が短いシミュレーション方法として、幾何学近似を行うレイトレーシング(Ray Tracing)法や、伝播経路を多層分割して電磁界の境界条件から成るマトリクスを解くフルウェーブ(Full Wave)法がある。しかし、これらのシミュレーション方法は、基本的に単一の平面波を扱うものであるため、各平面波の相互作用を考慮していない。したがって、これらの方法では、伝播方向に直交する面内における電磁波の電磁界分布すなわちプロファイルが得られない。 On the other hand, as a simulation method with a short calculation time, there are a ray tracing method for performing geometric approximation and a full wave method for solving a matrix composed of boundary conditions of electromagnetic fields by dividing a propagation path into multiple layers. . However, since these simulation methods basically handle a single plane wave, the interaction between the plane waves is not taken into consideration. Therefore, with these methods, an electromagnetic field distribution, that is, a profile of electromagnetic waves in a plane orthogonal to the propagation direction cannot be obtained.
本発明は、上記問題点に鑑み、実用的な計算時間で電磁波の電磁界分布を得ることができるシミュレーション方法および装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a simulation method and apparatus capable of obtaining an electromagnetic field distribution of electromagnetic waves in a practical calculation time.
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。 In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
本発明のシミュレーション方法は、送波器と受波器との間の伝播方向に直交する面内における電磁波の電磁界分布をコンピュータによってシミュレーションする電磁界分布シミュレーション方法において、
電磁波の周波数は一定として、電磁波の周波数成分での変化を無視し、その包絡線の変化に着目する、
との条件で近似されたマクスウェル方程式を用いて前記コンピュータがビーム伝播法により解いて電磁界分布を得ることを特徴とする。
The simulation method of the present invention is an electromagnetic field distribution simulation method for simulating an electromagnetic field distribution of electromagnetic waves in a plane perpendicular to the propagation direction between a transmitter and a receiver by a computer ,
A constant frequency of electromagnetic waves, to ignore the change in the frequency components of the electromagnetic wave is focused on a change in its envelope,
The computer solves by the beam propagation method using the Maxwell equation approximated under the conditions: and obtains the electromagnetic field distribution.
伝播方向に直行する面内における電磁界分布(プロファイル)は、電磁波を送波または受波する機器にとって重要なものである。この電磁界分布を基礎付けるマクスウェル方程式を近似する際に、電磁波の周波数(例えば5.8GHz)の変化を無視し、伝播方向に緩やかに変化する電界ベクトルの包絡線(エンベロープ)にのみ着目する。これにより、計算時間が大幅に短縮されることとなる。 An electromagnetic field distribution (profile) in a plane perpendicular to the propagation direction is important for devices that transmit or receive electromagnetic waves. When approximating the Maxwell equation that is based on this electromagnetic field distribution, the change of the electromagnetic wave frequency (for example, 5.8 GHz) is ignored, and only the envelope of the electric field vector that gently changes in the propagation direction is focused. As a result, the calculation time is greatly reduced.
また、ビーム伝播法を用いるので、誘電率が考慮されることになる。ここで、ビーム伝搬法とは、微少な伝搬区間の前後の電磁界分布を関係づける計算式を用いて、ビームの伝搬解析を逐次的に行う方法をいう。 Further, since the beam propagation method is used, the dielectric constant is taken into consideration. Here, the beam propagation method refers to a method of sequentially performing beam propagation analysis using a calculation formula relating electromagnetic field distributions before and after a minute propagation section.
本発明の電磁波分布シミュレーションは、限定解釈を意図するものではないが、特に電波、より詳細にはマイクロ波のシミュレーションに好適である。なぜなら、マイクロ波の場合、数GHzもの高周波となるので、低周波に比べて損失が少ないため、高周波成分の電界の変動を無視し、その包絡線(エンベロープ)のゆるやかな変化のみを扱うといった仮定を加えても、計算精度に影響を及ぼすことが少ないからである。 The electromagnetic wave distribution simulation of the present invention is not intended for limited interpretation, but is particularly suitable for simulation of radio waves, more specifically, microwaves. This is because in the case of microwaves, since the frequency is as high as several GHz, there is less loss compared to low frequencies, so the fluctuation of the electric field of the high frequency component is ignored, and only gentle changes in the envelope (envelope) are handled. This is because even if the value is added, the calculation accuracy is hardly affected.
なお、電界の発散をゼロとしたり、分極ベクトルのうち電界の大きさに比例する成分すなわち線形項のみを考慮したり、電界ベクトルの伝播方向における二次微分の項を無視することによって、マクスウェル方程式を更に近似してもよい。 Maxwell's equations can be obtained by reducing the divergence of the electric field to zero, considering only the linear component of the polarization vector, that is, the component proportional to the electric field, or ignoring the second derivative term in the propagation direction of the electric field vector. May be further approximated.
また、本発明の電磁界分布シミュレーション方法は、前記電磁波の伝播経路には、電離層が介在していることを特徴とする。 The electromagnetic field distribution simulation method of the present invention is characterized in that an ionosphere is interposed in the propagation path of the electromagnetic wave.
電離層が介在しているほどの長距離にわたるシミュレーションであっても、上述のように「電磁波の周波数は一定として、電磁波の周波数成分での変化を無視し、その包絡線の変化に着目する」との仮定をしているので、計算量が大幅に省略され、実用的な時間で電磁界分布が得られることになる。 Even in the simulation over a long distance that the ionosphere is interposed, as described above, “the frequency of the electromagnetic wave is constant, the change in the frequency component of the electromagnetic wave is ignored, and the change in the envelope is focused” Therefore, the calculation amount is largely omitted, and the electromagnetic field distribution can be obtained in a practical time.
また、「ビーム伝播法」を用いることにより誘電率が考慮されるので、電離層が介在していても、この電離層を考慮した精度の高いシミュレーション結果が得られる。 In addition, since the dielectric constant is taken into account by using the “beam propagation method”, even if an ionosphere is present, a highly accurate simulation result considering the ionosphere can be obtained.
また、前記コンピュータが、前記電磁波の伝播経路に介在する電離層、磁気、大気等の環境特性データを、前記環境特性データが格納された環境因子データベースを参照して取得することによって、前記環境特性データを電磁界分布シミュレーションに用いて地球環境の影響を決定することを特徴とする。 Further, the computer is, ionosphere interposed propagation path of the electromagnetic wave, magnetism, by the environmental characteristic data of the atmosphere or the like, retrieve by referring to the environmental factor database in which the environmental characteristic data has been stored, the environmental characteristic data Is used for electromagnetic field distribution simulation to determine the influence of the global environment .
標準的なデータベースを参照して環境特性データを自動的に取り込み、シミュレーションに反映させることによって、シミュレーションの精度を上げることができる。 By referring to a standard database and automatically capturing environmental characteristic data and reflecting it in the simulation, the accuracy of the simulation can be improved.
また、本発明の電磁界分布シミュレーション方法は、数値計算により、第一伝播位置における電磁界分布を得て、次ステップで第二伝播位置における電磁界分布を得る際に、前記第一伝播位置における空間分割数と、前記第二伝播位置における空間分割数とを略同一にしたままで、前記第一伝播位置において得られた電磁界分布に基づいて、前記第二伝播位置における空間分割の状態を変化させることを特徴とする。 Further, the electromagnetic field distribution simulation method of the present invention obtains the electromagnetic field distribution at the first propagation position by numerical calculation, and obtains the electromagnetic field distribution at the second propagation position in the next step. The state of space division at the second propagation position is determined based on the electromagnetic field distribution obtained at the first propagation position, with the number of space divisions and the number of space divisions at the second propagation position being substantially the same. It is characterized by changing.
第一伝播位置における空間分割数と、第二伝播位置における空間分割数とを略同一にしたままで、第二伝播位置における空間分割の状態を変化(リメッシュ)させることとしたので、各伝播位置における計算時間が一定時間となる。つまり、伝播位置ごとに計算時間が長くなったり短くなったりすることがないので、全体としての計算時間が短縮される。 Since the number of space divisions at the first propagation position and the number of space divisions at the second propagation position remain substantially the same, the state of space division at the second propagation position is changed (remeshed). The calculation time at is a fixed time. That is, since the calculation time does not become longer or shorter for each propagation position, the calculation time as a whole is reduced.
そして、第一伝播位置において得られた電磁界分布に基づいて、第二伝播位置における空間分割の状態を変化(リメッシュ)させることとしたので、電磁界分布が変化しても空間分割の設定の仕方によって計算精度の劣化を防止することができる。 Since the space division state at the second propagation position is changed (remeshed) based on the electromagnetic field distribution obtained at the first propagation position, the space division setting is not changed even if the electromagnetic field distribution changes. It is possible to prevent deterioration of calculation accuracy depending on the manner.
また、本発明の電磁界分布シミュレーション方法は、前記第一伝播位置において得られた電磁界分布のうち、電磁波の電界強度が大きい位置の空間を細かく分割し、電磁波の電界強度が小さい位置の空間を粗く分割することを特徴とする。 Further, the electromagnetic field distribution simulation method of the present invention is a method of finely dividing a space at a position where the electric field strength of the electromagnetic wave is large in the electromagnetic field distribution obtained at the first propagation position, and a space at a position where the electric field strength of the electromagnetic wave is small. Is roughly divided.
電磁界分布のうち、値が大きい位置は空間を細かく分割することによって精度を上げる。これに対して、値が小さい位置は、計算結果に与える影響が比較的少ないので、空間を粗く分割する。 In the electromagnetic field distribution, the position where the value is large increases the accuracy by finely dividing the space. On the other hand, since the position having a small value has a relatively small influence on the calculation result, the space is roughly divided.
また、本発明は、前記ビーム伝搬法の数値計算プログラムを備え、上記の電磁界分布シミュレーション方法を実行する、コンピュータにより実行可能とされた電磁界分布シミュレーションプログラムを提供するものである。 The present invention also provides an electromagnetic field distribution simulation program that includes the numerical calculation program of the beam propagation method and that executes the above-described electromagnetic field distribution simulation method and that can be executed by a computer .
また、本発明は、上記の電磁界分布シミュレーションプログラムを実行するコンピュータを備えたことを特徴とする電磁界分布シミュレーション装置を提供するものである。 The present invention also provides an electromagnetic field distribution simulation apparatus comprising a computer that executes the above-described electromagnetic field distribution simulation program .
また、本発明は、上記電磁界分布シミュレーション方法を用いて、送波器および/または受波器の設計を行う送受波器の設計方法を提供するものである。 The present invention also provides a design method for a transmitter / receiver for designing a transmitter and / or a receiver using the electromagnetic field distribution simulation method.
本発明による電磁界シミュレーション方法で得られた電磁界分布に応じて、送波器および受波器の大きさや形状を決定することができる。例えば、受波器に到達する電磁波の電磁界分布が得られれば、必要十分な大きさの受波器を設計することができる。 The size and shape of the transmitter and receiver can be determined according to the electromagnetic field distribution obtained by the electromagnetic field simulation method according to the present invention. For example, if the electromagnetic field distribution of the electromagnetic wave reaching the receiver is obtained, a receiver having a necessary and sufficient size can be designed.
また、上記送受波器の設計方法に基づいて送波器および/または受波器を製造してもよい。これにより、電磁界分布に応じた大きさや形状を有する送波器や受波器が提供される。 Moreover, you may manufacture a transmitter and / or a receiver based on the design method of the said transmitter / receiver. Thereby, a transmitter and a receiver having a size and shape corresponding to the electromagnetic field distribution are provided.
また、本発明は、上記電磁波分布シミュレーション方法によって得られた電磁界分布に基づいて、送波器および/または受波器を制御する送受波器の制御装置を提供するものである。 The present invention also provides a transmitter / receiver control device for controlling a transmitter and / or a receiver based on an electromagnetic field distribution obtained by the electromagnetic wave distribution simulation method.
制御装置によって送波器や受波器の位置や向き等を制御することにより、時々刻々変化する環境に応じて最適な送波器および受波器の配置が実現されることとなる。 By controlling the positions and orientations of the transmitter and receiver by the control device, the optimal arrangement of the transmitter and receiver can be realized according to the environment that changes from moment to moment.
また、本発明は、送波器と、受波器と、上記電磁界分布シミュレーション装置と、上記送受波器の制御装置と、を備えた電磁波送受波システムを提供するものである。 Moreover, this invention provides the electromagnetic wave transmission / reception system provided with the transmitter, the receiver, the said electromagnetic field distribution simulation apparatus, and the control apparatus of the said transmitter / receiver.
これらを組み合わせることにより、各時刻において最適化された電磁波送受波システムが提供されることとなる。 By combining these, an electromagnetic wave transmission / reception system optimized at each time is provided.
電磁界分布を基礎付けるマクスウェル方程式を近似する際に、電磁波の周波数の変化を無視し、伝播方向に緩やかに変化する電界ベクトルにのみ着目することとしたので、計算時間が大幅に短縮することができる。 When approximating Maxwell's equations that underlie the electromagnetic field distribution, the change in the frequency of the electromagnetic wave is ignored and only the electric field vector that changes slowly in the propagation direction is considered, so the calculation time can be greatly reduced. it can.
また、ビーム伝播法を用いることとしたので、誘電率が考慮されることになり、精度良い電磁界分布を得ることができる。 In addition, since the beam propagation method is used, the dielectric constant is taken into consideration, and an accurate electromagnetic field distribution can be obtained.
また、電離層が介在しているほどの長距離にわたるシミュレーションであっても、電磁波の周波数成分を無視して、伝播方向に変化する電界ベクトルの振幅に着目するとの仮定をしているので、計算量が大幅に省略され、実用的な時間で電磁界分布を得ることができる。 In addition, even in simulations over long distances where the ionosphere is present, it is assumed that the frequency component of the electromagnetic wave is ignored and the amplitude of the electric field vector that changes in the propagation direction is focused. Is greatly omitted, and the electromagnetic field distribution can be obtained in a practical time.
さらに、ビーム伝播法を用いることにより誘電率が考慮されるので、電離層が介在していても、この電離層を考慮した精度の高いシミュレーション結果を得ることができる。 Further, since the dielectric constant is taken into account by using the beam propagation method, a highly accurate simulation result considering the ionosphere can be obtained even if the ionosphere is present.
また、一般に提供されている標準的なデータベースを参照して環境特性データを自動的に取り込み、シミュレーションに反映させることとしたので、シミュレーションの精度を上げることができる。 In addition, the environmental characteristic data is automatically taken in with reference to a standard database provided generally and reflected in the simulation, so that the accuracy of the simulation can be improved.
また、第一伝播位置における空間分割数と、第二伝播位置における空間分割数とを略同一にしたままで、第二伝播位置における空間分割の状態を変化させることとしたので、各伝播位置における計算時間が一定時間となり、伝播位置ごとに計算時間が長くなったり短くなったりすることがないので、全体としての計算時間を短縮することができる。 In addition, since the number of space divisions at the first propagation position and the number of space divisions at the second propagation position remain substantially the same, the state of the space division at the second propagation position is changed. Since the calculation time is a fixed time and the calculation time does not become longer or shorter for each propagation position, the calculation time as a whole can be reduced.
そして、第一伝播位置において得られた電磁界分布に基づいて、第二伝播位置における空間分割の状態を変化させることとしたので、電磁界分布が変化しても空間分割の設定の仕方によって計算精度を上げることができる。 Since the space division state at the second propagation position is changed based on the electromagnetic field distribution obtained at the first propagation position, even if the electromagnetic field distribution changes, the calculation is performed according to the setting method of the space division. The accuracy can be increased.
また、電磁界分布のうち、値が大きい位置は空間を細かく分割することとしたので、計算精度の劣化を防止することができる。これに対して、値が小さい位置は、計算結果に与える影響が比較的少ないので、空間を粗く分割することにより、全体としての空間分割数を一定にすることができる。 In addition, since the position where the value is large in the electromagnetic field distribution is finely divided, the calculation accuracy can be prevented from being deteriorated. On the other hand, since the position having a small value has relatively little influence on the calculation result, the number of space divisions as a whole can be made constant by roughly dividing the space.
また、本発明による電磁界シミュレーション方法で得られた電磁界分布を用いることにより、送波器および受波器の大きさや形状を決定することができる。
また、本発明による電磁波分布シミュレーション方法によって得られた電磁界分布に基づいて送波器および/または受波器を制御する送受波器の制御装置によって、送波器や受波器の位置や向き等を制御することにより、時々刻々変化する環境に応じて最適な送波器および受波器の配置を実現することができる。
Further, by using the electromagnetic field distribution obtained by the electromagnetic field simulation method according to the present invention, the size and shape of the transmitter and the receiver can be determined.
Further, the position and orientation of the transmitter and the receiver are controlled by the transmitter and receiver control device that controls the transmitter and / or the receiver based on the electromagnetic field distribution obtained by the electromagnetic wave distribution simulation method according to the present invention. By controlling the above, it is possible to realize an optimal arrangement of the transmitter and the receiver according to the environment that changes every moment.
[第一実施形態]
以下に、本発明の第一実施形態について説明する。
[First embodiment]
Below, 1st embodiment of this invention is described.
まず、本発明にかかるビーム伝播法(Beam Propagation Method)を用いたシミュレーション方法について、図1を参照して説明する。 First, a simulation method using a beam propagation method according to the present invention will be described with reference to FIG.
電磁気現象を統一的に説明するマクスウェルの方程式は、微分形式であらわすと、下式のように記述される(S1)。 Maxwell's equations that explain the electromagnetic phenomenon in a unified manner are expressed as the following equation when expressed in a differential form (S1).
そして、上記2の条件は、電界ベクトルEの振幅E0の伝播方向における変化率(二次微分)は、伝播方向における傾き(1次微分)に比べて無視できるほどに小さいことを意味する。
The
上記1,2の仮定を導入すると、下式が得られる。
When the
また、 Also,
(18)式からわかるように、電磁波が伝播する媒質の情報は全て屈折率nひいては誘電率に反映されることになる。したがって、後に説明するように、電離層が介在する場合であっても、十分に精度良くシミュレーションすることが可能となる。 As can be seen from the equation (18), all information on the medium through which the electromagnetic wave propagates is reflected in the refractive index n and thus the dielectric constant. Therefore, as will be described later, even when the ionosphere is present, simulation can be performed with sufficient accuracy.
(18)式を数値計算によって解く(S8)。具体的には、ある平面において初期分布を与え、その平面に垂直な方向に平面を前進させながら電界の変化を得る。例えば、z=0平面にアンテナ(送波器)から放射される電界分布を与え、z軸方向に伝播するにしたがって電界の広がり及び減衰の様子を計算する。 Equation (18) is solved by numerical calculation (S8). Specifically, an initial distribution is given in a certain plane, and a change in the electric field is obtained while the plane is advanced in a direction perpendicular to the plane. For example, the electric field distribution radiated from the antenna (transmitter) is given to the z = 0 plane, and the state of the electric field spread and attenuation is calculated as it propagates in the z-axis direction.
電界の初期分布は時間的に変化しないことを仮定し、定常状態の解析を行う。これは、電磁波の波長に対して放射電磁波が伝播方向に十分に長い状況を解析対象としているので、定常解析で十分に現象を把握できるからである。 The steady state analysis is performed assuming that the initial distribution of the electric field does not change with time. This is because, since the analysis target is a situation where the radiated electromagnetic wave is sufficiently long in the propagation direction with respect to the wavelength of the electromagnetic wave, the phenomenon can be sufficiently understood by steady analysis.
計算格子(メッシュ)については、計算量を抑えるため、次のような手段を採用した。すなわち、電磁波がビームとして出射された場合、初期は電界強度(又はエネルギー)がビーム中心に集中しているが、伝播するに従ってビーム径は広がっていく。中心に電界強度が集中している初期状態では、中心に細かいメッシュを与える必要がある(不均一メッシュの採用)。そして、ビーム径の拡大に伴い、中心の外側の領域にも電界強度が強い部分が現れるため、この部分にも細かいメッシュを与える必要がある。これを実現するため、ビームの拡がりをモニタしながら(各ステップごとに把握しながら)、メッシュ間隔を適宜調整して計算を進めるようにする(リメッシュの採用)。 For the calculation grid (mesh), the following means were adopted in order to reduce the amount of calculation. That is, when electromagnetic waves are emitted as a beam, the electric field strength (or energy) is concentrated at the center of the beam at the beginning, but the beam diameter increases as it propagates. In the initial state where the electric field strength is concentrated at the center, it is necessary to provide a fine mesh at the center (adopting a non-uniform mesh). As the beam diameter increases, a portion with a strong electric field strength appears also in the region outside the center, and it is necessary to give a fine mesh to this portion. In order to realize this, the calculation is advanced by appropriately adjusting the mesh interval while monitoring the beam expansion (while grasping each step) (adopting remeshing).
具体的には、前ステップ(第一伝播位置)におけるビームの電界強度分布(電磁界分布)をモニタし、この電界強度分布の半値幅の内側の部分(電界強度が強い部分)には細かいメッシュを与え、半値幅の外側の部分(電界強度が弱い部分)には粗いメッシュを与える。 Specifically, the electric field intensity distribution (electromagnetic field distribution) of the beam in the previous step (first propagation position) is monitored, and a fine mesh is applied to the inner part of the half-value width of this electric field intensity distribution (the electric field intensity is strong). And a coarse mesh is given to the portion outside the half width (the portion where the electric field strength is weak).
この際に、メッシュ総数(空間分割数)は一定とする。このようにすることで、計算量は各ステップにおいて同一となり、計算量が抑えられる。これと同時に、不均一メッシュを採用しているので、精度の劣化を防止できる。 At this time, the total number of meshes (space division number) is constant. By doing so, the calculation amount becomes the same in each step, and the calculation amount is suppressed. At the same time, since a non-uniform mesh is employed, accuracy degradation can be prevented.
電磁波の伝播方向であるz方向を解く方法としては、陰解法の一つである交互方向陰解法(Alternating Direction Implicit Method)を用いた。この方法は、楕円型ないし放物型偏微分方程式を効率よく解くことができるという特徴がある。 As a method for solving the z direction, which is the propagation direction of the electromagnetic wave, an alternate direction implicit method, which is one of implicit methods, was used. This method is characterized in that it can efficiently solve elliptical or parabolic partial differential equations.
以上説明したように、本実施形態におけるシミュレーション方法によれば、電磁波の周波数の変化を無視し、伝播方向に緩やかに変化する電界ベクトルにのみ着目することとしたので、計算時間が大幅に短縮されることとなる。(S6参照)
また、ビーム伝播法を用いるので、誘電率が考慮されることになる。つまり、(18)式から明らかなように、ビーム伝播法では屈折率nが考慮されることになる。この屈折率nを介して、誘電率が反映されることになる。
As described above, according to the simulation method in the present embodiment, the change in the frequency of the electromagnetic wave is ignored, and only the electric field vector that gently changes in the propagation direction is focused. The Rukoto. (See S6)
Further, since the beam propagation method is used, the dielectric constant is taken into consideration. That is, as apparent from the equation (18), the refractive index n is taken into account in the beam propagation method. The dielectric constant is reflected through the refractive index n.
また、電界の発散をゼロとして(S3)、マクスウェル方程式を近似したので、計算量が減らすことができる。さらに、分極ベクトルのうち電界の大きさに比例する成分すなわち線形項のみを考慮し(S4)、電界ベクトルの伝播方向における二次微分の項を無視する(S6)ことによって、マクスウェル方程式を更に近似したので、大幅に計算量を減らすことができる。 Moreover, since the divergence of the electric field is zero (S3) and the Maxwell equation is approximated, the amount of calculation can be reduced. Furthermore, only the component proportional to the magnitude of the electric field, that is, the linear term, is considered in the polarization vector (S4), and the second derivative term in the propagation direction of the electric field vector is ignored (S6) to further approximate the Maxwell equation. As a result, the amount of calculation can be greatly reduced.
各計算ステップにおけるメッシュ数を略同一にしたままで、リメッシュさせることとしたので、各計算ステップにおける計算時間を一定時間とし、全体としての計算時間を短縮することができる。 Since remeshing is performed with the number of meshes in each calculation step being substantially the same, the calculation time in each calculation step is set to a fixed time, and the overall calculation time can be shortened.
そして、前計算ステップにおいて得られた電磁界分布に基づいて、リメッシュすることとしたので、電磁界分布に適したメッシュを設定することができる。 Since the remeshing is performed based on the electromagnetic field distribution obtained in the previous calculation step, a mesh suitable for the electromagnetic field distribution can be set.
また、リメッシュする際に、電磁界分布の値が大きい位置では空間を細かく分割することによって精度を上げることができる。これに対して、電磁界分布の値が小さい位置は、計算結果に与える影響が比較的少ないので、空間を粗く分割して計算量を減らすことができる。
[第二実施形態]
次に、上述したビーム伝播法をマイクロ波送電に適用した第二実施形態について図2を参照して説明する。
Further, when re-meshing, the accuracy can be improved by finely dividing the space at a position where the value of the electromagnetic field distribution is large. On the other hand, the position where the value of the electromagnetic field distribution is small has a relatively small influence on the calculation result, so that the amount of calculation can be reduced by roughly dividing the space.
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment in which the beam propagation method described above is applied to microwave power transmission will be described with reference to FIG.
なお、本実施形態では、5.8GHzの周波数を有するマイクロ波を電磁波の一例としているが、本発明にかかるシミュレーション方法は他の周波数を有する電磁波であっても適用可能である。 In the present embodiment, microwaves having a frequency of 5.8 GHz are taken as an example of electromagnetic waves. However, the simulation method according to the present invention can be applied even to electromagnetic waves having other frequencies.
ただし、マイクロ波の場合、数GHzもの高周波となるので、低周波に比べて損失が少ない。したがって、第一実施形態において説明したような高周波成分の電界の変動を無視するといった仮定(図1のS6参照)を加えても、計算精度に影響を及ぼすことが少ないというメリットがある。 However, in the case of a microwave, since it becomes a high frequency of several GHz, there is little loss compared with a low frequency. Therefore, there is an advantage that even if the assumption (see S6 in FIG. 1) of ignoring the fluctuation of the electric field of the high frequency component as described in the first embodiment is added, the calculation accuracy is hardly affected.
図2は、電離層1を挟んで配置されたアレイアンテナ(送波器)5と受電アンテナ(受波器)7との間でマイクロ波送電を行うシミュレーションのモデルを示した図である。
FIG. 2 is a diagram showing a simulation model for performing microwave power transmission between an array antenna (transmitter) 5 and a power receiving antenna (receiver) 7 arranged with the
電離層1は、D層,E層,F1層,F2層からなり、それぞれ地上から60km、90km、130km、210kmの高さに存在する。この電離層をマイクロ波が通過すると、マイクロ波の一部が静電プラズマ波に変換されることが知られている。
The
電離層1の下方には、中間圏2、成層圏3、対流圏4が位置している。
Below the
アレイアンテナ5は、フェーズドアレイ方式を採用したアンテナであり、マイクロ波を送電するものである。
The
受電アンテナ7は、アレイアンテナ5に対向した状態で地上に設置されており、マイクロ波を受電するものである。
The
本実施形態における電磁界分布シミュレーション方法は、アレイアンテナ5と受電アンテナ7との間で送電されるマイクロ波の電界強度分布(電磁界分布)について、以下のようにシミュレーションするものである。(以下、マイクロ波の電界強度分布を「ビームプロファイル」という。)
アレイアンテナ5面でのマイクロ波のビームプロファイルを、入力条件9の一つとして与える。具体的には、アレイアンテナ5の各アレイの位相を与えることによってビームプロファイルを規定する。これにより、図2に示すような初期ビームプロファイル15が与えられる。初期ビームプロファイルの直径は例えば500m程度とされる。
The electromagnetic field distribution simulation method according to the present embodiment simulates the electric field strength distribution (electromagnetic field distribution) of the microwaves transmitted between the
A microwave beam profile on the surface of the
なお、ビームプロファイルは、マイクロ波の伝播方向に直行する平面内における分布である。具体的には、マイクロ波の伝播方向をz軸にとれば、xy平面内における電界強度分布を意味する。 The beam profile is a distribution in a plane perpendicular to the microwave propagation direction. Specifically, when the propagation direction of the microwave is taken on the z axis, it means an electric field strength distribution in the xy plane.
そして、伝播経路条件を入力条件9の一つとして与える。 Then, the propagation path condition is given as one of the input conditions 9.
次に、年月日を入力条件の一つとして指定する。これにより、電離層、磁気、大気等の環境特性データが格納された環境因子データベース(標準的なデータベース)11が参照され、電離層、地球磁気、大気モデルといった地球環境の影響が決定される。 Next, the date is specified as one of the input conditions. Thereby, an environmental factor database (standard database) 11 in which environmental characteristic data such as ionosphere, magnetism, and atmosphere are stored is referred to, and influences of the global environment such as ionosphere, geomagnetism, and atmospheric model are determined.
環境因子データベース11としては、公的なものとして図1に示すものがある。ここで、IRI(International Reference Ionosphere)は国際電離層標準、IGRF(International
Geomagnetic Reference Field)は国際標準地球磁場モデル、COSPAR(Committee on Space Research)は宇宙空間研究委員会を意味する。
As the
Geomagnetic Reference Field) means the international standard geomagnetic field model, and COSPAR (Committee on Space Research) means the Space Research Committee.
そして、天候等を考慮するために、降雨雪・微粒子による散乱モデル13が導入される。 In order to consider the weather and the like, a scattering model 13 due to rain / snow / fine particles is introduced.
以上の入力条件9の下で、第一実施形態に示したビーム伝播法によって、マイクロ波伝播解析(電磁界分布シミュレーション)14を行う。マイクロ波伝播解析14は、図1に枠で囲って示されているように、アレイアンテナ5から電離層1を介して受電アンテナ7に至るまでのビームプロファイルをシミュレーションするものである。
Under the
マイクロ波伝播解析14によって、受電アンテナ7における出力ビームプロファイル17が得られる。この出力ビームプロファイル17から受電アンテナ面ビームパターン19がわかる。これにより、マイクロ波ビームの指向性や減衰量を評価することができる。
An
この結果に基づき、アレイアンテナ5の位相を制御するためのフェーズドアレイ制御指針21が得られ、入力条件9としてのビームパターンに反映されることになる。
Based on this result, a phased
図3には、本実施形態におけるマイクロ波伝播解析によって得られるシミュレーション結果の計算精度を検討したものである。 In FIG. 3, the calculation accuracy of the simulation result obtained by the microwave propagation analysis in this embodiment is examined.
図の横軸は、アレイアンテナ(送波器)5から570km遠方に位置する受電アンテナ7におけるビームの半径を示す。縦軸は、デシベル値で評価した場合の誤差をあらわす。
The horizontal axis in the figure indicates the radius of the beam at the
図中の各値は、電離層がある損失ありの状態における値から、電離層がない損失なしの状態における値を減じたものである。 Each value in the figure is obtained by subtracting the value in the state without loss without the ionosphere from the value in the state with loss through the ionosphere.
図3から、半径1000mまでは、ほぼ理論値に一致することがわかる。半径が1200mを超えたあたりから理論値とのズレが生じている。しかし、この位置におけるビーム電界強度を考慮すると、高々1%程度の誤差なので、十分に近似できているものといえる。 It can be seen from FIG. 3 that the value up to a radius of 1000 m almost coincides with the theoretical value. Deviation from the theoretical value occurs from around the radius of 1200 m. However, considering the beam electric field intensity at this position, it can be said that the error is about 1% at most, so that it can be sufficiently approximated.
図4は、地球環境の変動を取り入れた場合のマイクロ波伝播解析の精度を検討したものである。 FIG. 4 examines the accuracy of microwave propagation analysis when changes in the global environment are taken into account.
図4(a)は、y方向の電界強度を示し、(b)はz方向の電界強度を示す。 4A shows the electric field strength in the y direction, and FIG. 4B shows the electric field strength in the z direction.
横軸は図3と同様に、マイクロ波ビームの半径を示す。 The horizontal axis indicates the radius of the microwave beam as in FIG.
また、実線は冬の昼間(12月20日の12時)、点線は冬の夜間(12月20日の1時)、破線は夏の昼間(6月20日の12時)をあらわす。 The solid line represents winter daytime (12 o'clock on December 20), the dotted line represents winter nighttime (1 o'clock on December 20), and the broken line represents summer daytime (12:00 on June 20).
電離層の電子密度は、季節や昼夜によって変化することが知られており、夏よりも冬、夜よりも昼が電子密度が高くなる。 It is known that the electron density of the ionosphere changes depending on the season and day and night, and the electron density is higher in winter than in summer and day in the night.
図4の(a)及び(b)からわかるように、冬の昼間、夏の昼間、冬の夜間の順に電界強度が小さくなっており、電子密度の相違に応じた値を示している。このことから、本実施形態におけるマイクロ波伝播解析は、十分な精度を有するものであることがわかる。 As can be seen from FIGS. 4A and 4B, the electric field strength decreases in the order of daytime in winter, daytime in summer, and nighttime in winter, and shows a value corresponding to the difference in electron density. From this, it can be seen that the microwave propagation analysis in the present embodiment has sufficient accuracy.
図5は、マイクロ波の偏波から、マイクロ波伝播解析の精度を検討したものである。 FIG. 5 examines the accuracy of microwave propagation analysis from the polarization of the microwave.
横軸は図3と同様に、マイクロ波ビームの半径を示す。 The horizontal axis indicates the radius of the microwave beam as in FIG.
縦軸は、ファラデー回転角を示す。 The vertical axis represents the Faraday rotation angle.
同図には、解析結果として、実部から算出したもの及び虚部から算出したものの両データが示されている。 In the figure, as analysis results, both the data calculated from the real part and the data calculated from the imaginary part are shown.
図5から、半径1000m以内の範囲では、マイクロ波伝播解析による結果は理論値(−0.0604°)とほぼ等しいことがわかる。半径1000m以上の範囲では理論値からズレてはいるが、この位置における電界強度が小さいことを考慮すれば、十分な精度を有しているものと評価できる。なお、半径1000mを少し超えたところで大きくズレているが、これは、メッシュの切り替えによる誤差が出たものと思われる。 From FIG. 5, it can be seen that the result of the microwave propagation analysis is almost equal to the theoretical value (−0.0604 °) within a radius of 1000 m. Although it deviates from the theoretical value within a radius of 1000 m or more, it can be evaluated that it has sufficient accuracy considering that the electric field strength at this position is small. In addition, although it has shifted | deviated largely in the place over a radius of 1000 m, this seems to have come out by the error by switching of a mesh.
同図から、電離層1における静電プラズマ波の影響がマイクロ波伝播解析によって模擬されており、本実施形態にかかるマイクロ波伝播解析によれば偏波を十分に予測できるといえる。
From the figure, it can be said that the influence of the electrostatic plasma wave in the
図6は、マイクロ波伝播解析を並列計算によって行った場合の性能向上を示したものである。 FIG. 6 shows the performance improvement when the microwave propagation analysis is performed by parallel calculation.
横軸は並列化するコンピュータのCPUの数を示し、縦軸は性能向上の度合いを示す。理想的には、点線に示すように、CPUの数に比例して性能が向上するものであるが、現実には困難である。本実施形態の場合、CPU数が8の場合に、理想的性能に対して大体75%程度の能力を発揮しており、並列化性能としては十分なものと評価できる。 The horizontal axis indicates the number of CPUs of computers to be parallelized, and the vertical axis indicates the degree of performance improvement. Ideally, as indicated by the dotted line, the performance is improved in proportion to the number of CPUs, but this is difficult in practice. In the case of this embodiment, when the number of CPUs is 8, the ability of about 75% is exhibited with respect to the ideal performance, and it can be evaluated that the parallel performance is sufficient.
なお、CPUは、インテル社製のアイタニウムを用いた。クロック周波数は800MHzである。また、24ギガバイトのメモリを用いた。 As the CPU, Intel's Itanium was used. The clock frequency is 800 MHz. A 24 gigabyte memory was used.
処理速度としては、本実施形態の場合、570kmの伝播距離を計算すると、CPUを4つ用いれば約2日間で計算が完了する。従来技術で示したFDTD法であれば数十mを解くのに一週間以上かかることに照らしてみれば、本実施形態は極めて有意な効果を奏するものといえる。
[第三実施形態]
図7には、受送電アンテナの設計ツールとして、上述したマイクロ波伝播解析(電磁界分布シミュレーション)を用いた実施形態が示されている。
As for the processing speed, in the case of this embodiment, when the propagation distance of 570 km is calculated, the calculation is completed in about two days if four CPUs are used. In light of the fact that it takes one week or more to solve several tens of meters in the case of the FDTD method shown in the prior art, it can be said that this embodiment has a very significant effect.
[Third embodiment]
FIG. 7 shows an embodiment using the above-described microwave propagation analysis (electromagnetic field distribution simulation) as a design tool for a power transmission / reception antenna.
同図は、第二実施形態を示した図2と主要部が同一となっている。つまりマイクロ波伝播解析14、環境因子データベース11、降雨雪・微粒子による散乱モデル13については、第一実施形態と同様である。
This figure is the same as FIG. 2 showing the second embodiment. That is, the
本実施形態では、環境因子データベース11を参照して発電衛星の軌道解析26を行い、この結果を入力条件9の一つとする。これにより、経路、損失、偏波等のマイクロ波の特性をマイクロ波伝播解析14により予測する。
In the present embodiment, the
この結果に基づいて、指向性やパワー等の送電アンテナの能力、及び、大きさや形等の受電アンテナの仕様を設計する。 Based on this result, the power transmission antenna capabilities such as directivity and power, and the specifications of the power receiving antenna such as size and shape are designed.
このように、送受電アンテナを設計する際に、本シミュレーション方法を用いれば、環境条件に適した送受電アンテナを提供することができる。
[第四実施形態]
図8には、上述したマイクロ波伝播解析(電磁界分布シミュレーション)を用いたマイクロ波送受電システムに関する実施形態が示されている。
As described above, when the power transmission / reception antenna is designed, if this simulation method is used, a power transmission / reception antenna suitable for environmental conditions can be provided.
[Fourth embodiment]
FIG. 8 shows an embodiment relating to a microwave power transmission and reception system using the above-described microwave propagation analysis (electromagnetic field distribution simulation).
同図は、第二実施形態を示した図2と主要部が同一となっている。つまり、マイクロ波伝播解析14、環境因子データベース11、降雨雪・微粒子による散乱モデル13については、第一実施形態と同様である。
This figure is the same as FIG. 2 showing the second embodiment. That is, the
マイクロ波送受電システムは、現実のサイトに設置された送受電アンテナ23,24と、これらのアンテナ23,24を制御する制御部(図示せず)と、マイクロ波伝播解析14を行うプログラムを実行するマイクロ波分布シミュレーション装置(図示せず)とを備える。
The microwave power transmission / reception system executes power transmission /
マイクロ波伝播解析14を行うプログラムは、第一実施形態で説明した本発明にかかるビーム伝播法の数値計算プログラムを備えている。
The program for performing the
上記プログラムを実行したマイクロ波分布シミュレーション装置は、シミュレーション上の受電アンテナ7におけるビームプロファイル17を得て、この結果に基づいて、マイクロ波ビームの指向性、減衰量の評価をする。そして、この評価結果を送電アンテナ23および受電アンテナ24の制御部(図示せず)に送信する。この送信結果に基づいて、制御部は、送受電アンテナ23,24の制御をする。
The microwave distribution simulation apparatus that has executed the program obtains a
本実施形態におけるマイクロ波送受電システムは、このような制御を行うことによって、オンラインでサイトに設置された送受電アンテナ23,24の位置および向きを調整し、これにより最適な送電効率を実現することができる。
The microwave power transmitting and receiving system according to the present embodiment adjusts the position and orientation of the power transmitting and receiving
1 電離層
5 アレイアンテナ(送波器)
7 受電アンテナ(受波器)
15 初期ビームプロファイル(電磁界分布)
17 出力ビームプロファイル(電磁界分布)
1
7 Power receiving antenna (receiver)
15 Initial beam profile (electromagnetic field distribution)
17 Output beam profile (electromagnetic field distribution)
Claims (8)
電磁波の周波数は一定として、電磁波の周波数成分での変化を無視し、その包絡線の変化に着目する、
との条件で近似されたマクスウェル方程式を用いて前記コンピュータがビーム伝播法により解いて電磁界分布を得て、
前記送波器と前記受波器との間には、電離層が介在し、
前記コンピュータが、前記電磁波の伝播経路に介在する電離層、磁気、大気等の環境特性データを、前記環境特性データが格納された環境因子データベースを参照して取得することによって、前記環境特性データを電磁界分布シミュレーションに用いて地球環境の影響を決定し、
数値計算により、第一伝播位置における電磁界分布を得て、次ステップで第二伝播位置における電磁界分布を得る際に、
前記第一伝播位置における空間分割数と、前記第二伝播位置における空間分割数とを略同一にしたままで、前記第一伝播位置において得られた電磁界分布に基づいて、前記第二伝播位置における空間分割の状態を変化させることを特徴とする電磁界分布シミュレーション方法。 In the electromagnetic field distribution simulation method for simulating the electromagnetic field distribution of electromagnetic waves in a plane orthogonal to the propagation direction between the transmitter and receiver by a computer ,
A constant frequency of electromagnetic waves, to ignore the change in the frequency components of the electromagnetic wave is focused on a change in its envelope,
Using the Maxwell equation approximated under the condition of
An ionosphere is interposed between the transmitter and the receiver,
The computer, ionosphere interposed propagation path of the electromagnetic wave, magnetic, environmental characteristics data of the air or the like, by retrieve by referring to the environmental factor database in which the environmental characteristic data is stored, the electromagnetic the environmental characteristic data Use the field distribution simulation to determine the impact of the global environment ,
When obtaining the electromagnetic field distribution at the first propagation position by numerical calculation, and obtaining the electromagnetic field distribution at the second propagation position in the next step,
The second propagation position based on the electromagnetic field distribution obtained at the first propagation position while keeping the number of space divisions at the first propagation position and the number of space divisions at the second propagation position substantially the same. A method for simulating electromagnetic field distribution, wherein the state of space division is changed.
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