無償ツールで設計効率の向上を体験 ―― 配線レイアウトの電磁界シミュレーションを体験する

2． マイクロストリップ線路のシミュレーション

● 線路をモデリングする

　初めに図1のような1本のマイクロストリップ線路（以下MSL）を描いてみます．なおSonnet Lite^注3のインストールは，Sonnet Liteといっしょにダウンロードできる「SONNET入門」の第1章に従ってください．

図1 １本のマイクロストリップ線路（MSL）のモデル

　Sonnet Liteを起動します．Task Barにある［Edit Project］ボタンを押して表示されるメニューから「New Geometry」を選択すると，図2のような初期画面が表示されます．この平面は解析空間を上から覗いた基板表面で，ここに配線を描きます（コラム「電磁界シミュレータSonnetの仕組み」を参照）．基板上の多くの点は描画できる最小単位を示しますが，4点で決まるく矩形をセル（cell）と呼んでいます．

図2 新規に入力する基板のデフォルト画面

　まず「Circuit」→「Units...」で表示されるダイアログ・ボックス（図3）で，Lengthを「mm」，Frequencyを「GHz」に設定します．次に「Circuit」→「Box...」で表示されるダイアログ・ボックス（図4）で，セルのX（横）方向の寸法を「0.1」mm，Y（縦）方向の寸法を「0.1」mmに設定します．Box Sizeは基板の寸法です．それぞれ「5.0」mmを入力するとセル数（Num. Cells）が自動的に決まります．

図3 単位（Units）を設定する画面

図4 セルの寸法と基板の寸法を入力する画面

　基板表面にく矩形を描くときには，まず図5に示すToolBoxの右下のボタン（Add a rectangle）をクリックします．次にマウス・カーソルの先端をセルの点に置き，左ボタンを押したままドラッグして，別の点の上でボタンを離すと，赤色の斜線が入ったく矩形（無損失導体）になります．

図5 ToolBoxのボタンをクリックして矩形の配線を描く

　この方法で基板中央に幅0.3mm（3セル），長さ5mmの配線パターンを描きます．図1に示すように配線の両縁は基板の縁に接しています．Toolboxの，Add Portボタン（図6）を押してからこれらの縁部でクリックして，ポート（端子）の1番と2番を設定します．

図6 ToolBoxのボタンをクリックしてボードを設定する

　次に金属の材質を指定します．「Circuit」→「Metal Types...」で表示されるダイアログ・ボックスで［Add...］ボタンを押します．図7のダイアログ・ボックスで［Select metal from library...］ボタンをクリックします．図8の画面でGlobal Libraryをチェックすると，リストが表示されます．ここでは「Copper（銅）」を選んで［OK］ボタンを押します．図9では，Thickness（導体厚）を「0.03」mmと入力すると，金属材料として銅が指定できるようになります．既に描いてある配線上でマウスをダブルクリックすると図10のダイアログ・ボックスが表示されるので，Metalを「Copper」に変更しておきます．

図7金属の材質を追加する画面

図8 あらかじめ登録されている金属材料のリスト

図9 導体厚（Thickness）を0.03mmと入力する

図10 配線の金属(Metal)をLosslessからCopperに変更する

　基板の誘電体は，「Circuit」→「Dielectric Layers...」で表示されるダイアログ・ボックス（図11）で定義します．これは基板を水平方向から見た層厚の入力画面で，配線を描画した面（Level 番号：0）を境に，下の入力エリアで基板厚「0.15」mm，上で解析空間の高さ「3.0」mmを設定します^注4．

図11 基板の誘電体を定義する

　誘電体の特性値は，図11の反転表示している部分をクリックして表示される図12のダイアログ・ボックスで，比誘電率（Erel）と誘電正接tanδ（Dielectric Loss Tan）を入力します．

図12 比誘電率（Erel）と誘電正接tanδ（Dielectric Loss Tan）を入力する

　Sonnetは閉じた空間のモーメント法^{（1），（2），（3）}を採用しており，箱（SonnetではBoxと呼ぶ）の壁は理想導体です（コラム参照）．しかし基板からの放射を扱う場合は，天井（Top Metal）を自由空間（Free Space）に設定する必要があります．またMSLのグラウンド導体は，「Circuit」→「Box...」で表示されるダイアログ・ボックス（図13）で，Bottom Metal（Boxの底部）を「Copper（銅）」に設定します．

図13 Boxの底部（Bottom Metal）を銅（Copper）に設定する

　ここまで入力できたら，念のため「File」→「Save」でモデルを保存します（ファイル名は半角英数字にする．拡張子.sonが付いたファイルと，sondataというフォルダができる）．