スピードマスタ・シリーズ
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［VOD/data］
AI×電磁界シミュレータによる高速&RF回路基板 スピード設計

高周波センスでスマートに，差動線路で確実に！パソコンによるBefore After演習で一緒に学ぶ



学ぶこと

放射ノイズ対策には，非常に幅広い知識を横断的に学ぶ必要があります．また，放射ノイズは相互作用により予想外の場所で発生するため，その原因究明が難しいことがあります．そのため，今でも経験と勘に頼る設計現場が多いです．

放射ノイズ対策の勘所を養うために，本VODでは機械学習の利用から放射ノイズ対策の基礎知識，電磁界シミュレータを使った応用まで幅広く取り上げます．具体的な内容としては次のとおりです．

機械学習の利用

  1. 差動配線の設計最適化
    差動線路が2ペアある場合，反射損失（-30dB以下），近端クロストーク（-30dB以下），遠端クロストーク（-30dB以下），挿入損失（-10dB以上）がある設定値になるような配線ルールを遺伝的アルゴリズムで求めます．遺伝的アルゴリズムは，裏で電磁界シミュレーションが必要になりますが，このシミュレーション部分を機械学習で代替します．その結果，通常の遺伝的アルゴリズム＋電磁界シミュレーションと比較して，数千倍速く設計ルールを求めることができます．
  2. 配線の物理寸法から遠方放射電界を予測
    配線の物理寸法（配線長や絶縁層厚，波源，終端抵抗）から遠方の放射電界（ノイズ）を予測します．これは電磁界シミュレーションの置き換えになります．電磁界シミュレーションと比較して数千倍から数万倍速く遠方電磁界を予測でき，リアルタイムに計算できます．

電磁界シミュレータを使った基礎解説と実習

電磁界シミュレータでは、複雑な構造ではなく，シンプルなマイクロストリップ・ライン，平行平板，シールド・ケースを題材にします．実際の電子機器は多数の配線やケーブル，LSI，受動素子から成り立っているため，単純なモデルの放射ノイズを計算しても無意味に思えるかもしれません．しかし，シンプルなマイクロストリップ・ラインを一つ取り上げるだけでも，共振現象やコモンモード電流による大きな放射電界の発生など，多くの原因を学ぶことができます．

最初から複雑な基板の電磁界シミュレーションを行って答えを得ても，効果的な対策はできません．シンプルな構造物からの放射ノイズの発生メカニズムを理解することで，より複雑な構造物からの放射ノイズの発生原因が分かり，対策が可能になります．

写真1 差動信号入力時のコネクタにおける900MHz電界シミュレーション結果
ケーブル上の電磁界が支配的であり，コネクタの微細な穴から電界漏れの影響は比較的小さい

アジェンダ

(1)電磁界シミュレーションと機械学習

  • 機械学習の概要
  • 機械学習を使った差動線路の最適化事例
  • 機械学習を行うための環境構築とデータ処理方法

(2)電子機器から放射ノイズが発生する原因

  • 放射ノイズの発生原理
  • ノーマル・モード電流とコモン・モード電流による放射ノイズ
  • マクスウェル方程式を簡単に理解する方法

(3)電磁界シミュレーションに必要な基礎知識

  • dB，dBuV/mなどの単位
  • Sパラメータ
  • 特性インピーダンス
  • 反射解析法
  • 時間領域と周波数領域の関係
  • パルス波形のスペクトラム

(4)電磁界シミュレータの概要

  • FEM/MoM/FDTDの短所と長所
  • 電磁界シミュレータによる計算時間/消費メモリ/メッシュ分割規模の比較
  • LSIのモデリング方法
  • 受動素子のモデリング方法

(5)電磁界シミュレータを使った放射ノイズの計算

  • マイクロストリップ・ラインからの放射ノイズ
  • ケーブル付き基板からの放射ノイズ
  • 平行平板からの放射ノイズ
  • シールド・ボックスからの放射ノイズ

(6)CST Studio Suiteの使い方

  • マイクロストリップ・ラインのモデリング方法
  • 平行平板のモデリング方法
  • 電磁界の可視化方法

受講対象

  • ディジタル回路の設計者
  • 放射ノイズ対策で困っている設計者
  • 電磁界シミュレータの初学者
  • 電磁界シミュレータを使いこなせていない設計者
  • 電子回路から放射ノイズが発生する原因を知りたい方
  • 大学の講義でマクスウェル方程式が理解できなかった方

あると望ましい予備知識

  • 電気回路，電子回路，電磁気の基礎知識（深い知識は不要．大学や高専で学んだ基礎知識で十分）
  • プログラミングの基礎知識（変数，四則演算，条件分岐，ループを理解していればOK）

講演の目標

  • プリント基板における放射ノイズの原因と対策を理解する
  • 電磁界シミュレーションの活用方法を習得する

実習に必要なパソコンやシミュレータ

  • CST Studio Suite Learning Edition(AET)
    簡易版評価ライセンス(無料)はこちらからダウンロードできます
  • パソコン
    ※ハードウェアの最小スペックは次のとおりです
    OS：Windows 10，Windows Server2016，Windows Server2019
    CPU：IBM PC互換CPU（Intel Xeonプロセッサを推奨）
    グラフィック・カード：Open GL互換
    メモリ：4GB RAM
    ストレージ：30GBの空き容量

本製品を購入された方へ

講義ビデオと講義テキストの視聴方法は，下記リンク先(青字)をクリックし，本製品同梱の説明書に書かれたパスワードを入力してください．

322分の講義動画(著作権保護のためパスワードがかけられています)

「AI×電磁界シミュレータによる高速&RF回路基板 スピード設計」講義動画.mp4

  • 0:00:10 イントロダクション
  • 0:01:20 (1)電磁界シミュレーションと機械学習
  • 0:57:50 (2)電子機器から放射ノイズが発生する原因
  • 1:47:06 (3)電磁界シミュレーションに必要な基礎知識
  • 2:45:16 (4)電磁界シミュレータの概要
  • 3:39:09 (5)電磁界シミュレータを使った放射ノイズの計算
  • 4:30:44 (6)CST Studio Suiteの使い方

講義テキスト(著作権保護のためパスワードがかけられています)

実習用データ(著作権保護のためパスワードがかけられています)

紹介動画

遺伝的アルゴリズムと機械学習を用いた最適設計の手法

コネクタのシールド強化がノイズや信号劣化の対策になるとは限らない

コモンモード電流による放射ノイズ対策の定石

講師紹介

略歴

  • 1994年　東京農工大 電気電子工学科卒
  • 1994年　日本航空電子工業株式会社入社．プリント基板設計，シグナル・インティグリティのシミュレーション業務に従事後，USB-IF，PCI-SIG，VESAなどでコネクタの高速伝送規格化活動に携わりながら，ノイズ対策業務を行っている．iNARTE認定EMCエンジニア，EMCマスタ・デザイン・エンジニア

主な著書

  1. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング．
  2. USB Type-Cのすべて，CQ出版社．
  3. USB3.2のすべて，CQ出版社
  4. 8K映像/USB3.1対応!ケーブル＆コネクタ 10Gbps伝送技術，CQ出版社
  5. 電子回路シミュレータLTspice設計事例大全，CQ出版社

参考URL

Jae-Groupチャンネルにて下記の動画を公開中



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