(57)【要約】【課題】安価で誰もが容易に利用でき、高精度の計算結果が得られる線路特性評価装置を提供する。【解決手段】線路構造入力部１が外部から入力した線路構造に関する情報と、媒質誘電率入力部２が外部から入力した線路周囲の媒質の物理定数とに基づいて、線路構想生成部３は所定の算式を用いてシミュレーションモデルを生成する。この場合、計算対象の線路構造は入力された線路構造に対して長さを長く生成する。計算部４はこのシミュレーションモデルを用いて前記線路上の任意の点に印加された電気信号による該線路上の電流分布を計算し、この電流分布および前記誘電率情報から算出される比誘電率に基づいて前記線路の線路特性を計算する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性物質で構成される線路の構造を示す情報（以下、線路構造情報という）を外部から入力する線路構造入力部と、
外部から前記線路を包む媒質の少なくとも誘電率情報を入力する媒質誘電率入力部と、
前記線路構造入力部が入力した線路構造情報と、前記媒質誘電率入力部が入力した媒質の誘電率情報とに基づいて線路特性計算用のシミュレーションモデルを生成する線路構造生成部と、
この線路構造生成部が生成したシミュレーションモデルを用いて前記線路上の任意の点に印加された電気信号による該線路上の電流分布を計算し、この電流分布および前記誘電率情報から算出される比誘電率に基づいて前記線路の線路特性を計算する計算部と
を備え、
前記線路構造生成部は、少なくとも前記比誘電率に基づいて前記線路構造情報における線路の長さを補正することを特徴とする線路特性評価装置。
【請求項２】
前記線路構造生成部は、少なくとも比誘電率に基づいて前記線路構造情報における線路の長さをより長く生成することを特徴とする請求項１記載の線路特性評価装置。
【請求項３】
前記線路構造生成部は、前記媒質の比誘電率の平方根倍となるように前記線路構造情報における線路の長さを補正することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の線路特性評価装置。
【請求項４】
前記線路構造生成部は、前記媒質の比誘電率の平方根倍の前後１０％以内となるように前記線路構造情報における線路の長さを補正することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の線路特性評価装置。
【請求項５】
導電性物質で構成される線路の構造を示す情報（以下、線路構造情報という）を外部から入力する線路構造入力部と、
外部から前記線路を包む媒質の少なくとも誘電率情報を入力する媒質誘電率入力部と、
前記線路構造入力部が入力した線路構造情報と、前記媒質誘電率入力部が入力した媒質の誘電率情報とに基づいて線路特性計算用のシミュレーションモデルを生成する線路構造生成部と、
この線路構造生成部が生成したシミュレーションモデルを用いて前記線路上の任意の点に印加された電気信号による該線路上の電流分布を計算し、この電流分布および前記誘電率情報から算出される比誘電率に基づいて前記線路の線路特性を計算する計算部と
を備え、
前記計算部は、少なくとも比誘電率に基づいて前記電流分布の計算に用いる周波数を補正することを特徴とする線路特性評価装置。
【請求項６】
前記計算部は、少なくとも比誘電率に基づいて前記電流分布の計算に用いる周波数をより高く補正することを特徴とする請求項５に記載の線路特性評価装置。
【請求項７】
前記計算部は、前記電流分布の計算に用いる周波数を比誘電率の平方根倍の周波数となるように補正することを特徴とする請求項５に記載の線路特性評価装置。
【請求項８】
前記計算部は、前記電流分布の計算に用いる周波数を比誘電率の平方根倍の前後１０％以内の周波数となるように補正することを特徴とする請求項５または請求項７に記載の線路特性評価装置。
【請求項９】
計算周波数範囲を入力する計算周波数範囲入力部を備え、
前記計算部は、前記計算周波数範囲入力部が入力した計算周波数範囲に応じて前記比誘電率変更することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに線路特性評価装置。
【請求項１０】
前記計算部が計算した線路特性をグラフ等の形で出力装置に出力する計算結果出力部をさらに備えたことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の線路特性評価装置。
【請求項１１】
前記計算部が計算する線路特性は、周波数に対するゲイン特性であることを特徴とする請求項１０に記載の線路特性評価装置。
【請求項１２】
前記計算部は、線路特性の計算を行う場合にモーメント法を用いることを特徴とする請求項１１に記載の線路特性評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信等に用いる線路の周波数特性を机上で評価するために用いる線路特性評価装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の線路特性評価装置は、２次元解析によるグランド電流分布計算部により、グランド電流分布をモーメント法以外の２次元解析で求めておく。得られたグランド電流分布を利用して、グランドを複数のワイヤーに変換し、各ワイヤーに分布定数線路近似法と２次元解析で求めた電流分布の値を割り付ける。または，２次元解析で求めた電流分布が得られるように、各ワイヤーと伝送線路間の特性インピーダンスを、各ワイヤーと伝送線路間の距離および各ワイヤーの直径の調整により合わせたキャパシタンスモデルを生成し、目的とする電磁界強度を算出する。（特許文献１参照）
【０００３】
【特許文献１】特開平８−３０４４９１（請求項１、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の線路特性評価装置は、以上のように構成されているが、以下に示すような課題を有していた。
【０００５】
従来の線路特性評価装置では、最終目標の特性を得るために、複数の異なった解析手法を用いているため、解析対象のモデル作成と解析のための計算に時間がかかる。また、２次元解析で求めた電流分布が得られるようにモデルのチューニングが必要であり、正確な計算結果を得るためのモデル作成のスキルが必要とされる。また、この段階が正確に行われない場合、大きな計算誤差が生じる可能性もある。
【０００６】
このように、従来の線路特性評価装置を適用した場合には、信頼性の高い計算値を得るために多くのコストと実施者への高度なスキル要求が発生し、誰もが容易に利用できる評価装置を得ることができなかった。
【０００７】
本発明は係る課題を解決するためになされたもので、安価で誰もが容易に利用でき、高精度の計算結果が得られる線路特性評価装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る線路特性評価装置は、線路構造入力部が外部から入力した線路構造情報と、媒質誘電率入力部が外部から入力した媒質の誘電率情報とに基づいて、線路特性計算用のシミュレーションモデルを生成する線路構造生成部と、このシミュレーションモデルを用いて前記線路上の任意の点に印加された電気信号による該線路上の電流分布を計算し、この電流分布および前記誘電率情報から算出される比誘電率に基づいて前記線路の線路特性を計算する計算部とを備え、前記線路構造生成部は、少なくとも前記比誘電率に基づいて前記線路構造情報における線路の長さを補正するものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、シミュレーション用の配線構造を簡単な算式に基づいて生成し、特性の計算自体には追加や修正が必要なく、また、従来のような他のモデルへの変換の必要もなく線路特性の計算ができるため、計算のための準備作業が少なく、且つ、計算機の負荷を上げることなく高精度の線路特性の計算が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における線路特性評価装置の構成を示すブロック図である。
図において、線路特性評価装置１００を構成する各部分を以下に説明する。線路構造入力部１は線路構造の情報入力を行う機能を有する。媒質誘電率入力部２は特性計算対象の線路を包む媒質の誘電率などの物理定数の情報を入力する機能部である。図２に宅内などで電源配線用に一般的に用いるＶＶＦケーブルの断面図を示す。同図において、ＶＶＦケーブル７は、銅線８とビニル絶縁体９とビニルシース１０とから構成されている。前記媒質とは、ビニル絶縁体９ならびにビニルシース１０を指す。線路構造生成部３は、線路構造入力部１から入力される線路構造情報及び媒質誘電率入力部２から入力される媒質誘電率情報を基に、線路特性計算用のシミュレーションモデルを生成する機能を有する。計算部４は、線路構造生成部３で生成されたシミュレーションモデルを用いて線路特性を計算する。線路特性を計算する周波数の範囲は計算周波数範囲入力部５により外部から（例えば、ユーザによって手入力または記憶装置などに保存してある情報を読み込むなどの方法で）入力され指定される。計算結果出力部６は計算部４で計算された線路特性をグラフ等の形式で画面もしくはプリンタもしくは記憶媒体もしくはその他の出力装置に出力表示するものである。
上記線路構造生成部３および計算部４の機能は例えば、図１１に示すように計算機のＣＰＵ１２がＲＯＭ（リードオンリメモリ）１３に格納された上記機能に対応するソフトウェアを実行することにより実現できる。また、上記線路構造入力部１，媒質誘電率入力部２，計算周波数範囲入力部５および計算結果出力部６はＣＰＵ１２が図１１の入出力部１５あるいは通信制御部１６を制御して外部と入出力させることで実現される。
【００１１】
図３は線路構造の１例を示す図であり、送信端Ｔｘから長さ１．２５ｍ、０．２５ｍ、０．５ｍの計２ｍの長さの配線を介し受信端Ｒｘが接続されており、Ｔｘから１．２５ｍの部分からは長さ１ｍの分岐線Ａが、また、さらに０．２５ｍ先には長さ１ｍの分岐線Bが接続されている。線路を形成する線材は図２に示したＶＶＦケーブルが使われているものとする。
【００１２】
図４は図３に示した線路構造を実寸のままでシミュレーションモデルにしたものを示す。ＴｘからＲｘまでの長さや各分岐線の長さ接続位置は図３に示した線路構造と同一寸法になっている。また、このモデルの線路の中心高さはグランド面から０．１０３１ｍとしている。図５は図４のモデルについてモーメント法を用いて、Ｔｘ端に電圧源を接続し、Ｒｘ端の線路電流を計算し、線路特性である周波数に対するゲイン特性を計算した計算値（グラフ中の◇と実線でプロットした特性）と、実際の同一形状の実線路を用いた実測値（グラフ中の実線のみでプロットした特性）をグラフ化したものである。（計算にはNittany scientific社製のNEC-WinPro（登録商標）を用いた。）図に示すように、１ＭＨｚから４０ＭＨｚまでの実測値との４ｄＢほどの誤差や、８３ＭＨｚ近辺と１４０ＭＨｚ近辺ならびに２７０ＭＨｚ近辺に見られる、分岐線Ａ及びＢによる共振現象を主な要因とする急激なゲインの低下部分が計算値には現れず、実測値との誤差が大きい。
【００１３】
モーメント法は任意の観測点での周波数毎の電界強度を計算することのほかに、線路上の電流計算が行えるため、受信端で周波数毎の電流を計算し、受信端インピーダンスと演算することにより電圧-周波数特性を計算し、ゲイン特性を得ることができる。ただし、線路周辺の媒質は空気を前提としているため、比誘電率εsを持つ媒質で囲われた線路の特性計算に用いた場合誤差が大きく、これが上記の誤差が現れる主な原因と考えられる。
一般に、媒質中を伝播する電磁界の波長は媒質の比誘電率εsと比透磁率μsの乗算値の平方根分の１に短縮されることが知られている。この短縮率を波長短縮率という。ここでは波長短縮率に記号ηを用いる。
そこで、媒質の比誘電率による電流分布の違いを補償し計算結果の精度を上げるため、次式で求まる波長短縮率に基づいて線路長を補正することにする。
波長短縮率  η＝1/ｓｑｒｔ（μs＊εs）
ここで、／は除算、ｓｑｒｔは平方根、＊は乗算を示す。
【００１４】
次に、上記波長短縮率ηを用いた場合の線路特性評価装置の動作を具体的に説明する。
線路構造入力部１により図３に示した線路の構造の情報を外部から線路構造生成部３に入力し、また、媒質誘電率入力部２によりＶＶＦケーブルの媒質である絶縁物の比誘電率
εs＝３．０１を外部から線路構造生成部３に入力する。なお、電線の絶縁体は磁性を有しないものが多いため、本実施の形態では簡易的に比透磁率μsを１として省略することにする。その為、線路構造生成部３には媒質誘電率入力部２からの誘電率情報のみが入力されるが比透磁率μsを入力するように構成しても良い。比透磁率μsを１とした場合、波長短縮率は約０．５７と計算されるため、線路長をその逆数の１．７５倍にしたシミュレーションモデルを線路構造生成部３は生成する。図６に本実施の形態の線路構造生成部が生成したシミュレーションモデルを示す。図６では、すべてのケーブルの長さが図４に示すケーブルの長さの１．７５倍であることが示されている。
【００１５】
計算部４は図６のモデルについてモーメント法を用いて、Ｔｘ端に電圧源を接続し、Ｒｘ端の線路電流を周波数毎に計算し、Ｒｘ端の負荷インピーダンスと乗算することによりＲｘ端の電圧-周波数特性を計算し、算出されたＲｘ端の電圧と電圧源の電圧との比を周波数毎に求めて、線路特性である周波数に対するゲイン特性を得る。計算する周波数の範囲は計算周波数範囲入力部５により外部から入力され指定される。本実施例では１ＭＨｚから３００ＭＨｚの周波数の範囲としている。計算結果出力部６は計算部４で計算された線路特性を受け取り図７に示す周波数−ゲイン特性グラフを画面もしくはプリンタもしくは記憶媒体もしくはその他の出力装置に出力する。図７は先の図５と同様に、周波数に対するゲイン特性を計算した計算値（グラフ中の◇と実線でプロットした特性）と、実線路を用いた実測値（グラフ中の実線のみでプロットした特性）をグラフ化したものである。計算は同様にNittany scientific社製のNEC-WinPro（登録商標）を用いている。図に示すように、１ＭＨｚから４０ＭＨｚまでの実測値との差異はほぼ無くなり、また、８３ＭＨｚ近辺と１４０ＭＨｚ近辺ならびに２７０ＭＨｚ近辺に見られる分岐線Ａ及びＢよる共振現象を主な要因とする急激なゲインの低下部分の計算値も実測値とよく合っている。
【００１６】
以上のように、この実施の形態１によれば、媒質の特性をシミュレーションモデルの線路長として反映することにより、線路特性評価の主要な特性であるゲイン−周波数特性が精度よく計算することが可能となる。また、線路の長さを評価対象である電線に使用されている絶縁体の誘電率から求めた係数ηで補正するといった極めて簡単な方法で、しかも計算部４の負荷を上げること無く、上記の効果を奏することができる。
【００１７】
実施の形態２．
図８は本発明の実施の形態２における線路特性評価装置の構成を示すブロック図である。
図において、線路構造入力部１は線路構造の情報入力を行う機能を有する。媒質誘電率入力部２は特性計算対象の線路の媒質の誘電率の情報を入力する機能部である。線路構造生成部３は線路構造入力部１から入力される線路構造情報を基に、線路特性計算用のシミュレーションモデルを生成する機能を有する。計算部１１は線路構造生成部３で作成されたシミュレーションモデルを用い線路特性を計算する。このとき計算部１１は媒質誘電率入力部からの情報に基づいて、計算に用いる周波数を補正する。補正は実施の形態１で述べた媒質の比誘電率εs、比透磁率μsから求められる波長短縮率ηを用いる。線路特性を計算する周波数の範囲は計算周波数範囲入力部５により外部から入力され指定される。計算結果出力部６は計算部１１で計算された線路特性をグラフ等の形式で画面もしくはプリンタもしくは記憶媒体もしくはその他の出力装置に出力するものである。
【００１８】
次に、線路特性評価装置の動作を説明する。
線路構造入力部１を用い図３に示した線路の構造を線路構造生成部３に入力し、また、媒質誘電率入力部２を用い、ＶＶＦケーブルの媒質である絶縁物の比誘電率εs＝３．０１を計算部４に入力する。なお、電線の絶縁体は磁性を有しないものが多いため、本実施例では簡易的に比透磁率μsを１として省略している。その為、計算部４には媒質誘電率入力部２からの誘電率情報のみが入力されるようにしているが比透磁率μsを入力するように構成しても良い。この場合、波長短縮率は約０．５７と計算されるため、計算に用いる周波数を図９に示す表のように波長短縮率の逆数である１．７５倍とする。
【００１９】
計算部４は図９の周波数にてモーメント法を用いて、Ｔｘ端に電圧源を接続し、Ｒｘ端の線路電流を計算し、Ｒｘ端の負荷インピーダンスと乗算し、線路特性である周波数に対するゲイン特性を計算する。計算結果出力部６は計算部１１で計算された線路特性を受け取り、図１０に示す周波数−ゲイン特性グラフを出力する。なお、特性をプロットする周波数は計算実行周波数を１／１．７５倍したものを使用する。図１０は先の図５と同様に、周波数に対するゲイン特性を計算した計算値（グラフ中の◇と実線でプロットした特性）と、実線路を用いた実測値（グラフ中の実線のみでプロットした特性）をグラフ化したものである。計算は同様にNittany scientific社製のNEC-WinPro（登録商標）を用いている。図に示すように、１ＭＨｚから４０ＭＨｚまでの実測値との差異はほぼ無くなり、また、８３ＭＨｚ近辺と１４０ＭＨｚ近辺ならびに２７０ＭＨｚ近辺に見られる分岐線Ａ及びＢによる共振現象を主な要因とする急激なゲインの低下部分の計算値も実測値とよく合っている。
【００２０】
以上のように、この実施の形態２によれば、媒質の特性をシミュレーションモデルの線路長として反映することにより、線路特性評価の主要な特性であるゲイン−周波数特性が精度よく計算することが可能となる。また、線路の長さを評価対象である電線に使用されている絶縁体の誘電率から求めた係数ηで補正するといった極めて簡単な方法で、しかも計算部４の負荷を上げること無く、上記の効果を奏することができる。
【００２１】
なお、上記実施の形態１及び２では、シミュレーションモデルないし、計算周波数の補正に比誘電率と比透磁率から求まる波長短縮率を用いたが、周波数特性を持つものについては、計算周波数範囲に応じて、比誘電率を変更してモデルの補正等に用いても同様な構成にて、精度の高い線路特性評価装置を得ることができる。また、計算部で用いる線路電流の計算手法にモーメント法を用いたが、有限要素法など他の金属線上の電流分布を計算する手法に適用しても同様な効果を得ることができる。
また、本実施例では補正に用いる係数ηは比誘電率の計算値を用いているが、媒質の比均一性を考慮し±１０％程度の範囲で係数を変更しても同様な結果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態１における線路特性評価装置の構成を示すブロック図である。
【図２】線路の例として、ＶＶＦケーブルの断面構造を示した図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る配線構造の例を示した図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る実線路と同寸のシミュレーションモデル例の図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る実線路と同寸のシミュレーションモデルにより計算したゲイン周波数特性を示した図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る補正したシミュレーションモデルを示した図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る補正したシミュレーションモデルにより計算したゲイン周波数特性を示した図である。
【図８】本発明の実施の形態２における線路特性評価装置の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の実施の形態２における計算周波数の変換表である。
【図１０】本発明の実施の形態２における計算結果を示す図である。
【図１１】本発明に係る線路特性評価装置を実現する計算機の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  線路構造入力部，２  媒質誘電率入力部，３  線路構造生成部，４  計算部，５  計算周波数範囲入力部，６  計算結果出力部，７  ＶＶＦケーブル，８  銅線，９  ビニル絶縁体，１０  ビニルシース，１１  計算部，１２  ＣＰＵ，1３  ＲＯＭ，１４  メモリ，１５  入出力部，１６  通信制御部，１００  線路特性評価装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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