FDTD(時間領域差分法)

電磁界シミュレーションに関する翻訳に、FDTD(時間領域差分)法という言葉がよく出てくる(例えば、EMPro 3次元電磁界モデリング/シミュレーション環境とADSデザインフローの統合)。

電磁界シミュレーションの手法には、大きく3つの手法(有限要素法モーメント法、FDTD法)がある。FDTDは、Finite Difference Time Domain(時間領域差分)の略で、電磁界現象の支配方程式(基礎方程式)であるマクスウェルの方程式を差分化(Finite Difference)して、時間領域(Time Domain)で解く手法である。

簡単のために、真空中を電磁波が伝搬する場合を考える。この場合は、マックスウェル方程式は、E=(Ex、Ey、Ez)を電界ベクトル、H=(Hx、Hy、Hz)を磁界ベクトル、ε0を真空の誘電率、μ0を真空の透磁率、∇=(∂/∂x、∂/∂y、∂/∂z)、×を外積の記号として、

∂E/∂t=(1/ε0)∇×H
∂H/∂t=-(1/μ0)∇×E

と書ける。さらに、簡単にするために、1次元方向(z軸方向)のみの伝搬を考えると、上の式は、

∂Ex/∂t=-(1/ε0)∂Hy/∂z
∂Hy/∂t=-(1/μ0)∂Ex/∂z

となる。この2つの式は、x方向に振動する電界Exとy方向に振動する磁界Hyがあり、振動する電界が振動する磁界を誘起し、振動する磁界が振動する電界を誘起するというプロセスを繰り返しながら、平面波がz方向に伝搬していることを表している。

以降の式の表記を簡単にするために、改めて、ExをE、HyをHと表記すると、

∂E/∂t=-(1/ε0)∂H/∂z
∂H/∂t=-(1/μ0)∂H/∂z

となる、この連続系の連立微分方程式を、時間tと空間zの両方で中心差分近似を行って(Δtを時間ステップ、nを時間を離散化したときの時刻を表わすインデックス、kを空間zを離散化したときの位置を表わすインデックスとして)離散化すると、

(E_k^(n+1/2)-E_k^(n-1/2))/Δt=-(1/ε0)((H_(k+1/2)^n-H_(k-1/2)^n)/Δz (1)
(H_(k+1/2)^(n+1)-H_(k+1/2)^n)/Δt=-(1/μ0)((E_(k+1)^(n+1/2)-E_k^(n+1/2))/Δz (2)

となる。(1)式の左辺は、時刻nΔtにおけるEの時間微分を、時刻(n+1/2)Δtと時刻(n-1/2)ΔtにおけるEの値を用いた中心差分で表している。(1)式の右辺は、位置kΔzにおけるHの空間微分を、位置(k+1/2)Δzと位置(n-1/2)ΔzにおけるHの値を用いた中心差分で表している。(2)式も同様である。

(1)式と(2)式の連立差分方程式を、以下のように変形して、

E_k^(n+1/2)=E_k^(n-1/2)+(Δt/ε0Δz)((H_(k-1/2)^n-H_(k+1/2)^n))
H_(k+1/2)^(n+1)=H_(k+1/2)^n)+(Δt/μ0Δz)((E_(k)^(n+1/2)-E_(k+1)^(n+1/2))

EとHについて交互に計算することにより、磁界と電界の時間変化を計算する手法がFDTD法である。

マクスウェル方程式については、以下を参照

電磁気学

FDTD法については、以下を参照

富山大学 工学部 電気電子システム工学科 波動通信工学研究室のホームページ > 学習用 基本 FDTD(有限差分時間領域法)コード (MATLAB 版) および解説(日本語)の1D_basic_matlab_document_J (PDF in Japanese)
The Finite-Difference Time-Domain Method (FDTD)(英語pdf)

sideband(側波帯)

変調/復調測定に関する翻訳に、sideband(側波帯)という言葉がよく出てくる(例えば、アナログ復調 Xシリーズ 測定アプリケーションN9063Cのp3)。sidebandは、側帯波と訳されることもある。

側波帯とは、通常は、搬送波を変調することにより、搬送波の近傍に生じる周波数成分として説明される。

最初に、最も簡単な例として、振幅変調により、単一の周波数成分ω_mのみを持つ正弦波信号を、周波数ω_cの正弦波の搬送波に乗せる場合を考える。

変調されていない搬送波V_cは正弦波なので、

V_c(t)=Acos(ω_ct)

と表される。

振幅変調なので、搬送波の振幅Aを、変調信号V_m(t)=A_mcos(ω_mt)により、A(1+kcos(ω_mt))に変調すると(k=A_m/Aは変調度と呼ばれる)、変調された搬送波は、

V_AM(t)=A(1+kcos(ω_mt))cos(ω_ct)

と表される。

上の式を三角関数の公式を用いて展開すると、

V_AM(t)=Acos(ω_ct)+(1/2)kAcos((ω_c+ω_m)t)+(1/2)kAcos((ω_c-ω_m)t)

となり、周波数軸上で搬送波周波数ω_cから上下に周波数ω_m離れた位置(ω_c+ω_mとω_c-ω_m)に側波が生じる。

次に、振幅変調で、単一の周波数成分の正弦波ではなく、ω1~ω2の帯域(帯域幅ω2-ω1)を持つ信号を、周波数ω_cの正弦波の搬送波に乗せる場合を考える。

この場合も、上と同様に考えることができ、搬送波周波数ω_cの上下の、ω_c-ω2~ω_c-ω1の帯域(帯域幅ω1-ω2)とω_c+ω1~ω_c+ω2の帯域(帯域幅ω1-ω2)に側波が生じる。

このように、搬送波周波数の上下の帯域に生じる側波を側波帯と呼んでいる。搬送波周波数より上の側波帯は上側波帯(upper sideband)、下の側波帯は下側波帯(lower sideband)と呼ばれる。

角度変調(周波数変調や位相変調)の場合も同様に計算できるが、非常に複雑で、単一の周波数成分ω_mのみを持つ正弦波で変調する場合でも、振幅がベッセル関数で表され、周波数間隔がω_mの無限個の側波が生じる。

振幅変調、角度変調については、以下を参照。

高知工科大学 野中 弘二 教授のホームページ > 通信概論(2013年2年2Q)講義ノート2 および 通信概論(2013年2年2Q)講義ノート3

CNT(カーボン・ナノ・チューブ)

電子デバイス測定に関する翻訳で、CNTという言葉が出てくる(例えば、プレシジョン電流/電圧アナライザシリーズのp4)。

CNTは、Carbon Nano Tube(カーボン・ナノ・チューブ)の略である。炭素(カーボン)原子のみでできた結晶性物質としては、ダイヤモンドとグラファイト(黒鉛、鉛筆の芯として用いられている)がよく知られている。

炭素原子には、結合の手(価電子)が4つあり、ダイヤモンドの結晶構造は、正四面体の中心に位置する炭素原子の4つの結合の手が、正四面体の4つの頂点に位置する炭素原子の4つの結合の手の内の1つと結んで結合している(最近接の炭素原子と価電子を1つづつ共有して、閉殻構造になる(オクテット則を満たす)ことにより最も安定した状態になっている)。正四面体の4つの頂点に位置する炭素原子の残りの結合の手も、同様に最近接の炭素原子の結合の手と結ばれ、3次元に広がる結晶構造を形成している。4つすべての価電子が共有結合に用いられるので、ダイヤモンドは非常に固く電気を通さない。

一方、グラファイトは、炭素原子の4つの価電子の内の3つだけがそれぞれ平面上で隣接する3つの炭素原子と共有結合して、平面正六角形(6員環)構造の結晶を形成している。余った電子は平面内を自由に動き回れるので、グラファイトは電気をよく通し、平面構造の間(層間)はファンデルワールス力による弱い結合なので、剥がれやすく鉛筆の芯に使用されている。

カーボン・ナノ・チューブは、平面構造の一層のグラファイト(グラフェンと呼ばれる)を円筒形に丸めたものである。丸めたときのねじれ方により、バンド構造(結晶を構成する原子の周期的な配列の仕方により、電子軌道のエネルギー準位が、電子が完全に詰まっている価電子帯、電子が存在可能な伝導帯、価電子帯と伝導帯の間のバンドギャップと呼ばれる電子の存在できない禁制帯に別れることで、金属は伝導帯に電子が存在して電気が流れやすく、半導体は伝導帯に電子が存在しないがバンドギャップが小さいので熱励起などにより価電子帯の電子が伝導帯に遷移して少し電気が流れ、絶縁体は半導体と同じだがバンドギャップが大きいので電気が流れない。)が変化し、金属にも半導体にもなる。

カーボン・ナノ・チューブは、その構造から、化学的に安定で、温度に対する安定性が高く、軽量(アルミの約半分の重さ)で、電流密度が高く(銅の約100倍)、熱伝導性も銅の約10倍という特性を持っている。このような特性から、さまざまな用途が考えられ、半導体材料やLSIの金属配線材料としての研究開発も進められている。カーボン・ナノ・チューブを用いた宇宙エレベーター構想というのもある。

カーボン・ナノ・チューブについては、以下を参照

ナノカーボン材料を半導体デバイスの基幹材料にする

カーボンナノチューブ