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EMPro 2010.07 FEMシミュレーション・チュートリアルCopyright Agilent Technologies 2010

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EMPro 2010.07 FEM Tutorialはじめに

ここでは、EMPro 2010.07 のFEM解析を用いたシミュレーションについて説明します。Microstrip Line の解析を通して操作の流れを学びます。

Microstrip LineのFEM解析

1. 環境の準備、FEM機能の選択、使用する単位の設定2. 形状入力3. 材料の定義と割り当て4. メッシュ優先順位の設定5. Portの設定と解析空間の設定6. 境界条件と解析空間の設定7. FEM Simulationセットアップと実行

8. 解析結果の表示


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2 m

m

Er: 9.9

EMPro 2010.07 FEM Tutorial解析対象の構造

ここで解析する構造は、以下の形状です。

今回作成する図形は以下の通りです。

■基板15mm x 20mm x 2mm比誘電率 : 9.9

■マイクロストリップ線路15mm x 2mm導体 : 完全導体(PEC)


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1-1. 環境の準備: EMPro 2010.07

EMPro上での操作では、特定のホーム・ディレクトリ(作業フォルダ)に固定されません。デフォルトのままでは、EMProのインストールディレクトリの下にプロジェクトファイルを作成してしまいます。従いまして、EMProでシミュレーションを実行する前に作業フォルダを準備しておく必要があります。

Windowsのエクスプローラで

作業フォルダを作成しておきます。例： Work_EMro(C:¥users¥Work_EMPro)

■EMProで使用する作業フォルダを準備します。


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1-2. FEM機能の選択: EMPro 2010.07

EMProでは FDTD/FEMソルバで共通のユーザインタフェースを使用します。EMProメイン・ウィンドウの左下側にあるスキンと呼ぶスイッチを用いて使用するソルバを切り替えます。FDTD/FEMの各ソルバには専用のメニュー・機能が存在し、

他方のソルバではそれらを使用することはできません。（メニューがグレイアウトされ選択不能となります）ここでは、FEMソルバを使用しますのでFEMのみを選択します。

ソルバをスイッチで切り替え

FDTDを選択

FEMを選択

EMPro 2010.07 GUI

■FEMソルバを選択します。


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1-3. 使用する単位の設定: EMPro 2010.07

■次に使用する単位系を定義します。

1. メニューからEdit > Project Properties

を選択します。

2. Display Units タブを選択し、Lengthの項目で millimeterの単位を選択します。

3. 最後にDoneを押して、ダイアログを閉じます。


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2-1. 形状入力プロジェクトの保存

File > Save Project As…でプロジェクトにMicrostrip_50_Ohmの名前をつけて保存します。

プロジェクトを保存するフォルダは、先に準備しておいた作業フォルダ C:¥users¥Work_EMProを選択してください。


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2-2. 形状入力基板作成

1. Geometryワークスペース・ウィンドウの “+ Create… > Extrude” を実行

2. Geometryワークスペース・ウィンドウがCreate Extrude用に変化

■基板の形状を入力します。Extrude を実行し、構造の底面の断面図を入力します。


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3. タブは３つあり、下記の用途で使います。

Specify Orientation･･･基準座標系の設定

Edit Cross Section･･･平面形状の作成

Extrude･･･ Extrude (押し出し) の設定

4. Specify Orientationのタブを選択すると、現在設定されている座標系がwindowに表示されます。ここでは確認のみです。


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5. Edit Cross Section タブを選択します。画面右のツールより、Top(-Z) を選択します。これにより、上面から見た状態で形状の入力を行うことができます。

6. Construction Grid では、画面に表示されるGridのサイズ、マウスの最小移動距離を設定できます。


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2-2. 形状入力基板作成7. Edit Cross Section タブの下にあるアイコン群から、Rectangle を選択します。

形状入力は、・マウスで位置を直接クリックする方法・座標を直接入力する方法・形状入力後Editする方法などがあります。ここでは、直接、座標入力を行います。描画面内でマウスの右ボタンを一度クリックした後、 TABキーを実行すると座標入力ダイアログが開きます。


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8. TABキーで開いた最初のSpecify Positionダイアログで左下の座標(-7.5 mm, -10 mm) を入力し、再度TABキーを実行して開いた２番目のSpecify Positionダイアログで右上の座標(7.5 mm, 10 mm) を入力します。

(-7.5, -10)

(7.5, 10)

Tip：各入力フィールドで数値のみを入力し、

タブキーで入力フィールドを移動すると自動的に単位が付加され、入力値が確定します。


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9. このModel に名前をつける為にName: Substrate と設定します。

ここで名前をつけなかった場合、Model という名前がつけられます。


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10. 次に基板の厚みを設定します。Extrude タブを選択します。

11. Extrude Distance: 2 mmに設定します。

Extrude する方向は、画面上に矢印で表示されます。

矢印をドラッグすることで、Extrude Distance を変更することもできます。Tip：数値と単位の間には

スペースを入力します。入れないとエラーになり、入力フィールドが赤くハイライトされます。


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12. 最後にDoneをクリックすると、Substrateが作成されます。

材質を定義していないので、灰色です。

Project Tree の Parts にSubstrate が追加されました。


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2-3. 形状入力マイクロストリップ・ライン

ここからは、Microstrip Lineの形状を入力していきます。

1. Sheet Body の長方形を作成します。視点は、Front/Right/Top にして表示します。


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2. Create > Sheet Body を選択します。

3. 基板上面にマイクロストリップを描画する為に、Specify Orientationタブを選択し、

Z: 2 mmに設定します。

この設定により、描画する平面のZ座標が2 mmに設定されます。


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4. Edit Profile タブに移動してRectangle を選択します。基板作成時と同様に、描画面で一度マウスの右ボタンをクリックした後にTABキーを実行してダイアログで座標を入力します。(7.5 mm, -1 mm) および (-7.5 mm, 1 mm) と設定します。


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5. Name: Microstrip と入力します。

6. Preview タブを選択すると、作成される形状を確認できます。

7. Doneを押すと Microstrip が作成されます。


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2-4. 形状入力パーツの確認

■ 形状入力直後は、材料が割り当てられていない為、オブジェクトの色が同じになり識別できません。GeometryウィンドウのParts VisibilityをオフにしてからPartsツリー内の各モデルをマウスで選択しますと各パーツを確認することが出来ます。

Parts Visibility をオフにした後、モデルを選択するとそのモデルのみ表示

Parts Visibility:クリックでオン／オフ

確認できたらParts Visibility をオンに戻します。


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3-1. 材料の定義と割り当て誘電体の定義■解析する基板および導体の材質を定義します。材料特性は、以下の様に定義します。

1. Project Tree の Definitions > Material上で右クリックし New Material Definitionを選択します。

2. Materialsツリーの下に New Materialとして追加されるので、名前を Dielectricに設定します。

Substrate(基板)： ε= 9.9の誘電体Microstrip(導体)：完全導体(PEC)


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3-1. 材料の定義と割り当て誘電体の定義

3. Dielectricを選択し、マウスの右ボタンからメニューを開いてProperties…をクリックし、Material Editor を開きます。

設定は、Name: DielectricElectric: IsotropicElectricタブ内

Conductivity: 0 S/mRelative Permittivity: 9.9

とします。


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3-1. 材料の定義と割り当て誘電体の定義

4. Appearance タブを選択し、Face Color の四角クリックしてPreset から

Dark greenを選択します。

5. Doneをクリックして設定を反映します。これでDefinitions > MaterialsにDielectricが正しく設定されました。


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3-2. 材料の定義と割り当て導体の定義

6. 次にMicrostrip用のPEC をDefault Material Libraryから定義します。Project Tree の Definitions > Materials 上で右クリックし、Select from Default Library を選択します。

7. Add a default material ダイアログのMaterial nameの欄上で適当なマテリアルを一時選択します。Material nameの欄が選択されてる状態で“P” をタイプします。これで、Pの文字で始まる材料の行に移動します。ここでPEC を選択し、 Add ボタンを押します。これで Materialsツリーの下にPECも追加されます。


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3-3. 材料の定義と割り当て材料の割り当て：Substrate

Substrate に Dielectricで設定した色が反映され、材質が適用されたことを確認できます。

8. 定義した材料をオブジェクトに割り当てます。Project TreeのDefinitions > Materials > Dielectricをマウスで選択し、ドラッグしてParts > Substrateにドロップします。


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3-3. 材料の定義と割り当て材料の割り当て：Microstrip

Microstrip に PECのデフォルトの色が反映され、材質が適用されたことを確認できます。

9. 引き続き、同じ操作で定義した材料をオブジェクトに割り当てます。Project TreeのDefinitions > Materials > PECをマウスで選択し、ドラッグしてParts > Microstripにドロップします。


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4. メッシュ優先順位の設定

■メッシュの優先順位を設定します。同一座標に異なる図形同士が存在する場合、どちらの図形を優先するかを決定する必要があります。今回の場合、マイクロストリップラインが厚み0 のシート形状のため、基板表面と座標が同一になっています。

図形の見た目は同じですが、シミュレータには優先順位によっては以下の2通りに解釈されます。

or

Microstrip > Substrate の場合 Substrate > Microstrip の場合


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■メッシュ優先順位は以下のルールに従い決定されます。1. 設定された優先度(整数)が大きいものから優先2. 優先度が同じ場合は、プロジェクトツリーで上にあるほうが優先

1. Parts > View Parts List (All Parts) メニューを選択し、全図形の優先度を確認します。図形作成時には優先順位は全て同一(50)に設定されています。

この状態では、上記のルールに従いSubstrate > Microstrip の順に優先されるので、優先順位を変更する必要があります。


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2. 今回はSubstrate の優先順位を下げます。Parts Listダイアログ内のSubstrate を右クリックで

選択し、Meshing Order > Move Down メニューを選択します。

Substrate の優先度が 49 となりMicrostrip(50) > Substrate(49) の順に優先されるように設定変更されました。


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5-1. Port の設定と解析空間の設定ポートタイプFEMソルバでは以下の2種類のポートを使用することができます。今回はWaveguide Port を使用します。

Waveguide Port- 解析空間の境界面に設置可能- ポートを設置する箇所を面で指定- Nodal/Modal S-parameter を求める場合に使用します

Voltage Source(Internal Port)- 解析空間内部に設置可能- 導体間に線分を引き、給電する箇所を指定

（※線分の間に導体を跨ぐことはできません）- Nodal S-parameter を求める場合に使用します

※Voltage Sourceの使用方法は、テクニカルサポート・日本語技術資料の“EMPro 2009 チュートリアル FEM版”から資料をダウンロードし、Appendixをご確認ください。


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5-2. Port の設定と解析空間の設定Waveguide Portの設定■Waveguide Port の追加・設定方法を説明します

1. 視点をBack/Left/Top に変更し、Project Tree のCircuit Components/Ports を右クリックしてNew Waveguide Port を選択します。

2. Location タブの、マウスポインタのアイコンをクリックし、マウスカーソルでポートを置く図形の端面を選択します。(ここでは、以後の説明の関係上、Microstripの –X座標側を最初のポートとして設定します。）指定した面は青くなり、マウスクリックでWaveguide Port が設定されます。


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5-2. Port の設定と解析空間の設定Waveguide Portの設定3. EditCrossSetionPage タブで Port 断面の大きさを変更します。初期設定では “Auto-extend to simulation design boundaries” がON になっているためPort断面のサイズが解析境界全体まで設定されます。

チェックを外し、縦方向(v軸)のUpperを “10 mm” 延長します。

変更前

変更後


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5-2. Port の設定と解析空間の設定Waveguide Portの設定4. Properties タブで “Port Definition” と”Impedance Definition” を設定します。

Impedance Definition が “Power/Current” になっていることを確認します。

Nodal S-parameter を解析するようにWaveguide Port Definition を “50 ohm Voltage Source” に設定します。

Name: を Waveguide Port1に変更します。


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5-2. Port の設定と解析空間の設定Waveguide Portの設定5. Impedance Lines タブでポートインピーダンスを計算するインピーダンスラインを設定します。

インピーダンスラインの両端を以下の座標へ設定します。Endpoint 1(-): (-7.5 mm, 0 mm, 0 mm) ：基板下面の中点Endpoint 2(+): (-7.5 mm, 0 mm, 2 mm) ：マイクロストリップラインの中点

※数値を入力する代わりにマウスポインタで図形を直接選択することも可能です。


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5-2. Port の設定と解析空間の設定Waveguide Portの設定6. 最後に OK を押してポート設定を終了します。

※マウスカーソルをマークに重ねてしばらく待つとWarningメッセージが表示されどこが正しくないのかがわかります。

7. 作成したポートの右側にマークが出た場合はポートが正しく設定できていません。

Waveguide Port は解析空間

の境界上にしか置くことができない、というメッセージが表示されます。


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5-3. Port の設定と解析空間の設定FEM Padding8. Waveguide Port を解析空間の境界上に設定するために、解析空間を狭めます。

Simulation Domain > FEM Padding をダブルクリックします。

Lower X を “0 mm” とし、Port面がある方向には空間を追加しないように変更します。

変更前

変更後

境界面が移動

移動前の境界面


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5-3. Port の設定と解析空間の設定FEM Padding9. マークが消え、ポートが正しく設定できていることを確認します。


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5-4. Port の設定と解析空間の設定Waveguide Port(続き)とFEM Paddingの設定

10. マイクロストリップラインの反対側の端面にも、同様にWaveguide Port 2 [Port2]を設定します。更に、 Simulation Domain > FEM Padding から、Upper X を “0 mm” として、Port面がある方向には空間を追加しないように変更します。

Waveguide Port2 [Port2]の追加

FEM Paddingの設定


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Lower Z

Upper Z

Upper X

Lower X

Lower Y

Upper Y

Boundary(解析境界) は解析図形ではなく、解析空間の6面に対して設定します。Simulation Domain > Boundary Conditions から設定可能です。

6. 境界条件と解析空間の設定境界条件の定義: Boundary Condition


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1. Boundary Conditions Editorで、Lower Z の境界条件を “PEC” に変更します。

■今回はマイクロストリップラインのグラウンドにLower Z境界を使用するため、PEC(完全電気導体)に設定し、それ以外をAbsorbing(吸収境界)に設定します。

6-2. 境界条件と解析空間の設定FEM PaddingとBoundary Conditions

2. FEM Padding Editorで、Lower Z に追加する空間を “0 mm” にします。


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3. 解析空間の設定を確認、変更を行います。- Waveguide Port 設定時にも確認しましたが、Lower X, Upper X は Waveguide

Port を設定したため “0 mm” となっています。- Lower Z は前頁でグラウンドとして使用するために、”0 mm” となっています。

- 上記以外の方向には ”20 mm” の空間を追加するように設定します。

6-3. 境界条件と解析空間の設定FEM Padding


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7. FEM Simulationセットアップと実行

■FEM シミュレーションのセットアップを行います

1. GUI左下で “FEM” が ON になっていることを確認します

2. 画面右上の Simulations アイコンをクリックすると、Simulationsワークスペース・ウィンドウが立ち上がります

Simulations ワークスペース

ウィンドウ


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3. Simulationsワークスペース・ウィンドウで + Create FEM simulation をクリックすると、EMPro - Create FEM Simulationウィンドウが表示されます。

Simulationsワークスペース

ウィンドウ

Create FEM Simulationウィンドウ


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Simulation Name名前の記入

(DefaultのままでもOK)

Frequencies Plans解析周波数の設定

Matrix Solverソルバの指定

Mesh/Convergence Properties

アダプティブメッシュの条件設定

Create Simulationシミュレーション実行ファイルの作成と実行

複数の解析周波数プランを設定できます。

Create FEM Simulationウィンドウ


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4. Frequencies Plans メニューの設定は、

Sweep Type: AdaptiveStart Freq.: 0.1 GHzStop Freq.: 3 GHzSample Points Limit: 20

に設定してAdd To List ボタンを押し、Frequency Planに追加します。



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5. Mesh/Convergence Properties メニューの設定を

Basicタブ内で、Delta error: 0.01Minimum number of adaptive passes: 5Maximum number of adaptive passes: 15

に設定します。

※今回はAdvancedタブ内はDefaultのまま使用します。



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6. Matrix Solver メニューの設定を

Typeタブで “Direct” を選択します。

※(今回の解析には100MB程度使用するため)使用マシンに搭載されているメモリが1GB以下の場合は、Iterative Solver を選択してください。

Direct Solver (直接法)利用メモリ大・マルチスレッド→高速64ビットでメモリがある場合、こちらを推奨

Iterative Solver (反復法)利用メモリ小（直接法よりも一桁程度小さくなることが多い）シングルコア動作。メモリ消費が少ないため、32bitマシンや、搭載メモリに余裕がない場合でも使用可能。



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7. Create FEM Simulation ウィンドウでSolverタイプまで選択が終了したら下部にある、Create & Queue Simulationボタンを押して、解析を実行します。

自動的にSimulationsウィンドウに戻り、解析が始まります。Status は、Runningの表示になります。

次にMeshプロセスが起動し、Meshの作成が行われます。初期Meshが作成された後、Adaptive Meshプロセスが実行されます。



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Status・Created・Queued・Running・Completed・Error・Killed

のいずれか

Delta error収束状況

Simulation Nameセットアップ時に設定した名前

Simulation ID解析結果を表示させる際にIDで区別することがあります。

Adaptive Mesh Refinementアダプティブメッシュの途中経過

周波数Planに沿って各周波数で解析

8. Output タブを選択し、解析の進行状況をモニタします。

mem(GB), Elapsed time, CPU time使用メモリ、実時間、CPU時間(3GHz のデータは再利用の為、値がゼロ)

Dm64:Direct Solver 64bit(その他：

I64/Dm32/I32)


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9. Simulation が終了するとStatusがCompletedになり結果を確認することが出来る様になります。



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1. Results アイコンをクリックします。

2. Resultsワークスペース・ウィンドウが立ち上がります。

■ 解析が終了したら、結果を表示します。解析結果は、EMPro上で、直交座標やスミスチャートで表示することが出来ます。まず、Work Space Tool barのResultsアイコンを押して、Resultsワークスペース・ウィンドウを開きます。このダイアログでは、解析ID毎に結果管理などを行います。


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3. Results ウィンドウの上段は、複数の解析結果をフィルタリングし、所望の結果を抽出してくれます。

欄のタイトルの上でマウス右クリックにより

フィルタリングする項目を変更することができます。


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4. 2つ目のソート項目を Simulation ID に変更し、図のようにフィルタ項目を選択します。S11, S12, S21, S22 の４つの結果が下段に抽出されます。


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5. S21 を選択し、マウスの右クリックでView (default) メニューを選択します。

6. S21(dB) の結果が直交プロットで表示されます。


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7. 同様にS11 をマウスの右クリックで選択し、View Smith Chart メニューを選択します。

8. S11 の結果がスミスチャートで表示されます。

9. 作成したグラフは、プロジェクトツリー下方のGraphs 内に追加されます。


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■近傍界を3次元で表示します。

1. Project Name で “Microstrip_50_Ohm” を選択するとAdvanced Visualization ボタンが有効になるので、ボタンを押します。

2. Advanced Visualizationウィンドウが

立ち上がるので、結果を選択するダイアログのStatus がCompleted となっていることを確認し、ID(Run):000001を選択しOKを押します。

もし、同じプロジェクト名において、複数の解析を実行している場合、ここには複数のIDが表示されます。その場合、表示させたい解析を行った、IDを選択します。


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3. Propertiesタブで画面の表示状態を変更できます。Materialsタブ内のDielectricのShd（シェード）のチェック・ボックスにチェックを入れると、色で塗り潰すことができます。

Propertiesタブ

Materialsタブ

Dielectricの Shdにチェック

色の変更もできます


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4. Solution Setupタブで表示する周波数の選択を行います。図では1.55GHzが選択されています。

Solution Setupタブ

表示する周波数の選択


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5. Plot Propertiesタブでプロットするデータを表示方法を編集します。

Plot Propertiesタブ

電界を表示する面を指定

Field Plot Plane欄で、電界を表示する面を指定します。ここでは、Z-2 の面を指定します。

これは、マイクロストリップラインを含む平面を表しています。

Shaded plot や Arrow Plot欄に、

チェックを入れて、電界を等高線表示、矢印表示します。Log Scaleにもチェックを入れ、Optionボタンで矢印を見やすくします。

電界の最大値を変更し表示スケールを変更したり、X arrow density, Y arrow density を変更しベクトル密度を変更できます。入力後、×でウィンドウを閉じると、矢印表示を行うことができます。


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6. X-7.5 の面をEnableにし、Editボタンを押します。平面を平行移動することができるので、マイクロストリップラインの中央付近までスライダーバーで移動させて表示することができます。


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注意：図形が選択できない時には、選びたい図形をPropertiesタブより“Shd”を選択をして、あらかじめ表示させる必要があります。

■新たにE/H分布表示の面を追加したい場合

1. Add ボタンから Add Planeウィンドウを立ち上げ、Select Object Faceタブ内のSelect a face from a shaded object で色のついた図形の表面を指定します。


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2. 表面を選択した後、アクティブになったSave ボタンを押し、追加された面をEnableにします。これで、新しく追加した面で電界または磁界の分布状態を表示させることが出来ます。

Tip：電界分布と磁界分布

の同時表示は出来ません。選択したいずれか側のみとなります。


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EMPro 2010.07 FEM Tutorial終わりに

ここでは、EMPro 2010.07 のFEM解析を用いたMicrostrip Line のシミュレーションの基本操作について説明しました。

より詳しい操作については、EMPro のトレーニングを受講してください。

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