（様式 20）成果報告書

TSUBAME 共同利用 平成 29 年度 産業利用 成果報告書

ワイヤレス電力伝送による漏えい電波の環境解析技術の研究開発
Research and development of environment analysis technique of leaked electromagnetic field from wireless power transfer

池田 和彦
Kazuhiko Ikeda
株式会社パナソニックシステムネットワークス開発研究所
Panasonic System Networks R&D Lab. Co., Ltd
https://panasonic.co.jp/cns/psnrd/
家電機器の充電などに用いられるワイヤレス電力伝送（WPT：Wireless Power Transfer）システムが近年検討されている．WPT システムから漏えいする電磁界は他の様々な電子機器に影響を与える可能性があり，その干渉影響を定量的に評価する必要がある．WPT システムの設置が想定される戸建て住宅や商業施設などの環境では近傍に様々な無線機器が存在するため，それらに影響を及ぼす恐れのある周波数帯での漏えい電磁界特性の評価が必要である．しかしながら，戸建て住宅や商業施設全体の漏えい電磁界を測定するには多大な時間と労力がかかり，シミュレーションでは解析空間サイズが大規模になる課題がある．筆者らはこれまでスーパーコンピュータ TSUBAME 2.5 を用いて戸建て住宅及び商業施設における漏えい電磁界を解析し，鉄筋や外壁などの建材が漏えい電磁界特性に大きな影響を与えることを示した．本利用課題では，より実際に近い WPT 使用環境を想定し，商業施設内に複数台の WPT システムが併設される場合や，商業施設周辺に多数の建造物が存在する場合の漏えい電磁界を解析する．
The wireless power transfer (WPT) system for electronics devices and so on has been actively developed in recentyears. Since the electromagnetic field leaked from the WPT system interferes with the other devices, it is required toquantitatively evaluate the electromagnetic interference. In the housing or commercial facilities environment, the WPTsystem is located generally close to other various devices. If the frequencies of the fundamental and high-harmoniccomponent of the WPT system are overlapped with operating frequency of these devices, the electromagnetic fieldleaked from the WPT system threatens to interfere with these devices. Thus, it is required to quantitatively evaluate theleaked electromagnetic field at various frequencies. The measurement in the whole house or commercial facilities
involves immense amount of time and effort, and the simulation requires the enormous analysis size. Therefore, wehave analyzed leaked electromagnetic fields in the housing or commercial facilities environment by using
supercomputer TSUBAME 2.5. It was confirmed that architectural materials, the steel mesh structure and exterior wall,
especially affect the electromagnetic field in the house simulation. In this paper, assuming an environment close toactual use case of the WPT system, we analyze the leaked electromagnetic field property under simultaneous operating
condition of multiple WPT systems by using supercomputer TSUBAME 2.5.
Keywords: Electromagnetic simulation, Ray launching, Wireless power transfer, Leaked electromagnetic field

1. まえがき

渉機器に影響を及ぼす恐れのある周波数帯（kHz 帯

家庭用電子機器や電気自動車の充電に用いられるから GHz 帯）の漏えい電磁界評価が重要となる．

ワイヤレス電力伝送（WPT：Wireless Power Transfer）

しかしながら，住宅環境等の WPT 設置環境全体システムが近年検討されている[1],[2]．WPT システ

における漏えい電磁界の測定には多大な時間と労力ムから漏えいする電磁界は他の様々な電子機器の誤がかかるため，シミュレーションを用いて解析する作動の要因になり得るため，その強度規制値の国際ことが望ましい．住宅環境全体を含むシミュレーシ標準化に向けた議論が進められている．多種多様なョンの解析空間は大規模なものになるため，並列演WPT システムからの漏えい電磁界によって引き起算による大規模解析が可能なスーパーコンピュータこされる干渉問題が重要な課題であり，様々な設置の利用が有効となる[3]．

環境や高次高調波を考慮した定量的な評価が必要不

平成 27 年度及び 28 年度の利用課題において，筆可欠である．例えば住宅環境においては，WPT シス

者らは，WPT システムや各種無線機器などが密集しテムの近傍に様々な無線機器が存在し，それら被干て設置される環境の 1 つとして戸建て住宅または商（様式 20）成果報告書
業施設を含む空間に WPT 波源を配置し，漏えい電

2.1 波源モデル

磁界の分布状況を解析することで，住宅を構成する

図 2.1 に本章で用いる波源モデルを示す．直径

鉄筋や外壁などの建材が漏えい電磁界特性に大きな50mm，巻き数 3T のスパイラルコイルを 87MHz の影響を与えることを示した．本年度は，より実際に波源として用いる．

近い使用環境を想定し，商業施設内に複数台の WPTシステムが併設され同時動作する場合や，商業施設周辺に多数の建造物が立地している場合の漏えい電磁界を解析する．

2.2 商業施設における漏えい電磁界の解析
本節では，商業施設をモデリングして WPT 波源を複数個配置し，複数の波源が同時動作する場合の本利用課題では，ラジオ受信機，携帯端末，無線商業施設モデル内外の漏えい電界を解析する．

LAN ルータへの干渉を想定し，WPT システムの高調波である 87MHz，3.5GHz，5.3GHz の漏えい電磁2.2.1 シミュレーション条件

界をスーパーコンピュータ TSUBAME 2.5 [4]を用い

表 2.1 にシミュレーション条件を示す．計算機シて解析する．漏えい電磁界の波源と商業施設をモデ

ステムは TSUBAME 2.5，有限積分法の電磁界解析をリングして商業施設モデル内外の漏えい電磁界を解用い，解析周波数は FM ラジオ帯の 87MHz とし，析し，商業施設内に複数台の WPT 波源がある場合6.78MHz（家電モバイル機器の充電向け）の 13 次高や商業施設周辺に多数の建造物が存在する場合の漏調波を想定した．波源は 2.1 節で説明したモデルをえい電磁界特性を求める．また，商業施設を含む解析空間サイズの変更により解析で考慮する周辺建造

表 2.1

物の範囲を変化させ，妥当な解析に必要となる周辺計算機システム

TSUBAME 2.5建造物のモデル化範囲を検証する．なお，87MHz の解析手法

有限積分法電磁界解析

解析には有限積分法を用いた電磁界シミュレータで解析周波数

87MHz

ある CST 社の MICROWAVE STUDIO[5]を，3.5GHz

出力30dBm

及 び 5.3GHz の 解 析 に は 筆 者 ら が 開 発 し た Ray

波源

Launching 法を用いた電波伝搬シミュレータ[3]を使

解析モデル

87MHz

波源の配置位置

本章では，漏えい電磁界によるラジオ受信機への直径 50mm，巻き数 3T コイル
商業施設モデル用して解析する．

2. 電磁界解析による漏えい電磁界の解析

シミュレーション条件

商業施設内イートインスペースのテーブル裏
波源の配置数

2，5，10

解析対象エリア

商業施設含む 40×40×10m エリア

干渉を想定し，WPT システムの高調波である 87MHzの漏えい電界特性を電磁界解析手法（有限積分法）

鉄骨梁：金属

屋根：金属

外壁：サイディング

窓ガラス：ガラスにより解析する．

ZYX

Y50mm

車両：金属X
Z

解析空間：40×40×10 m
テーブル：木 商品棚：金属

基礎鉄筋：金属3turns

図 2.1

解析モデル（波源）

図 2.2

解析モデル（商業施設）

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用い，送信電力は 30dBm とした．の場合は駐車場近傍のイートインスペース配置，5

図 2.2 に商業施設モデルを示す．商業施設及びそ波源の場合は駐車場から最遠の配置，10 波源の場合の周辺の駐車場を含む解析空間のサイズは 40×40

は最悪条件としてイートインスペース全域に配置し×10m である．波源は前述の通り家電モバイル機器た．また，複数の波源が同時動作する場合，波源間の充電向けを想定しているため，商業施設内イートの位相差によって漏えい電界強度は変動するため，インスペースのテーブル裏に配置する（床からの高各波源間の位相差無しの場合と位相差有り（等間隔，さは 0.75m となる）
．波源の向きは図 2.1 及び図 2.2

2 波源：180˚刻み/5 波源：72˚刻み/10 波源：36˚刻み）の座標軸の通りであり，地面に対してコイル開口面の 2 通りを解析した．

が水平となる．波源の数は 2，5，10 の 3 通りとした．

図 2.3，図 2.4 より，波源の数が増えると漏えい電界強度が増加する傾向や，波源間の位相差によって2.2.2 評価結果漏えい電界分布が変化することが確認できる．また，

図 2.3 及び図 2.4 に 87MHz における商業施設内と波源として用いたコイルは水平面無指向性のため，その周辺での漏えい電界分布を示す．地面から 1m

漏えい電界は基本的には波源を中心に放射状に分布の高さにおける水平面（XY 面）の分布を記載してするが，各構造物の影響による電界強度の変動が見おり，波源の配置位置を赤丸で示している．2 波源

られる．
（dBV/m）（dBV/m）（a）2 波源（a）2 波源（dBV/m）（dBV/m）（b）5 波源（b）5 波源（dBV/m）（dBV/m）（c）10 波源
図 2.3

漏えい電界分布（波源間の位相差無し）（c）10 波源
図 2.4

漏えい電界分布（波源間の位相差有り）

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3. 幾何光学的電波伝搬解析による漏えい電磁界の解析

3.2.1 シミュレーション条件
表 3.1 にシミュレーション条件を示す．波源は 3.1

本章では，携帯端末及び無線 LAN ルータへの干節で示したパッチアンテナを用い，受信機器はダイ渉を想定し，WPT システムの高調波である 3.5GHzポールアンテナとした．なお，送信電力は 10dBm と及び 5.3GHz の漏えい電界特性を幾何光学伝搬解析した．

手法（Ray Launching 法）により解析する．

図 3.2 に商業施設モデルと波源の配置位置を示す．
商業施設を中心として，周辺の建造物をモデリング

3.1 波源及び受信機器モデルしている．波源は前章同様に，商業施設内のイート

図 3.1 に本章で用いる波源モデルを示す．各周波ーンスペースのテーブル裏に配置する．受信機器は数で高い電界強度を放射するために周波数ごとに波図 3.3 に示すように商業施設を含む 40×40m の空間源モデルを設計しており，3.5GHz では 20.3×20.3mmに 0.1m 間隔で格子状に配置しており，受信機器設置素子，5.3GHz では 12.6×12.6mm 素子のパッチアン位置数は 160,000 点となる．配置高さは 1m とした．

テナを波源として用いる．また，無線機器そのもの

図 3.4 に評価する解析空間サイズの条件を示す．解の特性を含まない基本的な漏えい電磁界を解析する析空間サイズとしては，商業施設を中心として 40×ため，受信機器をダイポールアンテナで模擬する．

40m，120×120m，200×200m，280×280m の範囲を抽出した 4 種類とする．図 3.5 に示すように，解析

3.2 商業施設における漏えい電磁界の解析
本節では，解析空間サイズをパラメータとして，空間の境界上にある建造物については解析空間内の壁面のみ残すように設定した．

商業施設モデルに WPT 波源と受信機器を配置し，受信機器を移動させたときのパスロスを解析する．

（a） 3.5GHz（a）3.5GHz

図 3.1(b)5.3GHz（b）5.3GHz

表 3.1
計算機システムTSUBAME 2.5

解析手法

Ray Launching 法電波伝搬解析

解析周波数3.5GHz，5.3GHz

出力

10dBm

波源

解析モデル（波源）

周辺建造物：
コンクリート

3.5GHz20.3×20.3mm パッチアンテナ

5.3GHz12.6×12.6mm パッチアンテナ

受信機器

ダイポールアンテナ

解析モデル

商業施設及び周辺建物モデル

波源の配置位置
解析対象エリア

商業施設

シミュレーション条件

商業施設内イートインスペースのテーブル裏
商業施設含む 40×40×10m エリア

商品棚：金属
屋根：金属

鉄骨梁：金属

外壁：サイディング
基礎鉄筋：金属
h=1.0m

波源テーブル：木

車両：金属
窓ガラス：ガラス1m

図 3.2

商業施設モデルと波源の配置位置

図 3.31m

受信機器設置位置

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ここで，各受信点ではマルチパスフェージングに値の差分を示す．これらの結果から，解析空間サイよるパスロスの瞬時変動が含まれるため，図 3.3 のズが 120×120m 以上でパスロス中央値の解析結果が青色の四角で示すように，1m 四方の領域ごとに 100収束することがわかる．

受信点のパスロスの中央値を算出する．各解析空間

図 3.7 に 3.5GHz の各解析空間サイズにおけるパスサイズにおいて，
図 3.4 に示す全エリア（600×600m）

ロス分布を示す．図 3.7（a）40×40m の波源の左側の結果を基準として 1m 四方の領域ごとにパスロスの領域において，他条件と比較してパスロス分布の中央値の差分を算出し，その中央値差分の累積確率傾向が異なっているが，これ以外では全条件でほぼ分布を求める．本解析では，累積確率 10%，50%，同等の分布となっている．この要因を推測するため，90%それぞれにおけるパスロス中央値差分により，差分が発生している箇所のレイ軌跡を解析する．図解析空間サイズの影響を評価する．

3.8 に 40×40m，120×120m の解析空間サイズにおけるレイ軌跡をそれぞれ示す．40×40m の条件では3.2.2 評価結果

商業施設の外壁からの透過波のみが到達しているの

図 3.6 に解析空間サイズを変更した場合のパスロに対し，120×120m の条件では周辺建造物からの反ス中央値差分の累積確率分布を示す．また，表 3.2

射波が多数到来することが確認できる．この結果かに累積確率 10%，50%，90%におけるパスロス中央ら，波源近傍の建造物からの反射波がパスロス分布の傾向が異なる主要因であるとわかった．また，
5.3GHz においても 3.5GHz と同様の分布となる．

図 3.4

解析空間サイズ（全エリア 600×600m）（a）3.5GHz（a）40×40m（b）120×120m（b）5.3GHz（c）200×200m
図 3.5（d）280×280m

各解析空間サイズの建造物モデル

図 3.6

各解析空間サイズでのパスロス中央値差分の累積確率分布

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4 まとめ

表 3.2

各累積確率におけるパスロス中央値差分

本利用課題ではスーパーコンピュータ TSUBAME（a）3.5GHz

2.5 を用いて商業施設における漏えい電磁界特性を累積確率解析した．
より実際に近い WPT 使用環境を想定し，解析空間サイズ

90%50%10%

複数の波源が同時動作する場合を解析，波源間の位40×40m

4.9dB

0.1dB

0.0dB

相差により漏えい電界強度が変動することを確認し120×120m

0.1dB

0.0dB

0.0dB

た．また，解析空間サイズをパラメータとして解析

200×200m

0.1dB

0.0dB

0.0dB

で考慮する商業施設周辺の建造物の影響を検証した．

280×280m

0.1dB

0.0dB

0.0dB

TSUBAME 2.5 を用いることで，商業施設及びその周（b）5.3GHz

辺建造物を含む大規模なモデルを解析でき，有限積分法電磁界解析及び Ray launching 法電波伝搬解析
における TSUBAME 2.5 の有用性を確認した．
なお，本研究は総務省平成 27 年度電波資源拡大のための研究開発「ワイヤレス電力伝送による漏えい電波の環境解析技術の研究開発」の一部である．

累積確率
解析空間サイズ

90%

50%

10%

40×40m

4.9dB

0.1dB

0.0dB

120×120m

0.1dB

0.0dB

0.0dB

200×200m

0.1dB

0.0dB

0.0dB

280×280m

0.1dB

0.0dB

0.0dB

参考文献
[1] Q. Chen et al., “Antenna Characterization for WirelessPower Transmission System Using Near field Coupling,”
IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol.54, No.4,Aug.2012.

（a）40×40m（b）120×120m[2] J. Kim et al., “Electromagnetic Interference andRadiation from Wireless Power Transfer Systems,” 2014
IEEE International Symposium on Electro- magnetic
Compatibility, Aug. 2014.
[3] K. Takagi, T. Yui, M. Anada, T. Izumi, H. Uno, H.
Watanabe and Y. Saito, “Analysis of Electromagnetic
Field Leaked from Wireless Power Transfer System in
Case-study House,” WPTC 2015, P2.5, May 2015.
[4] 東京工業大学 学術国際情報センター, TSUBAME(http:// www.gsic.titech.ac.jp/tsubame).
[5] CST MICROWAVE STUDIO（http://www.cst.com/）（c）200×200m
図 3.7（d）280×280m

3.5GHz におけるパスロス分布（a）40×40m
図 3.8（b）120×120m

3.5GHz におけるレイ軌跡