(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の線状アンテナ素子Ａｉ，Ａｊにより構成されてなる線状アレーアンテナ装置の電気的特性を計算するための方法であって、
他のアンテナ素子Ａｊによる当該アンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｊの素子長方向の分布を、当該アンテナ素子Ａｉ上のポートｉにおけるアドミタンスＹｉｊで規格化することにより分布関数ｆｉ（ｚ）を計算するステップと、
当該アンテナ素子Ａｉ自身によるアンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｉの素子長方向の分布から、上記計算した分布関数ｆｉ（ｚ）に対してポートｉの位置におけるアドミタンスＹｉｉを乗算した分布を減算して得られた分布に、虚数単位ｊを乗算することにより分布関数ｇｉ（ｚ）を計算するステップと、
当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉに対して上記計算した分布関数ｆｉ（ｚ）を乗算し、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電圧ｖｉに対して、上記計算した分布関数ｇｉ（ｚ）と（−１）と虚数単位ｊとの積を乗算し、これら２つの乗算値を加算することにより当該アンテナ素子Ａｉ上の素子長方向の電流分布ｉｉ（ｚ）を計算するステップとを含むことを特徴とする線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算方法。
【請求項２】
複数の線状アンテナ素子Ａｉ，Ａｊにより構成されてなる線状アレーアンテナ装置の電気的特性を計算するための方法であって、
他のアンテナ素子Ａｊによる当該アンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｊの素子長方向の分布を、当該アンテナ素子Ａｉ上のポートｉにおけるアドミタンスＹｉｊで規格化することにより分布関数ｆｉ（ｚ）を計算するステップと、
当該アンテナ素子Ａｉ自身によるアンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｉの素子長方向の分布から、上記計算した分布関数ｆｉ（ｚ）に対してポートｉの位置におけるアドミタンスＹｉｉを乗算した分布を減算して得られた分布に、虚数単位ｊを乗算することにより分布関数ｇｉ（ｚ）を計算するステップと、
上記計算した分布関数ｆｉ（ｚ）を当該アンテナ素子Ａｉの素子長方向であって素子方全体にわたって積分することにより、ポートｉに何も接続しない状態のベクトル実効長ｌｅｉ（０）を計算するステップと、
上記計算した分布関数ｇｉ（ｚ）を当該アンテナ素子Ａｉの素子長方向であって素子方全体にわたって積分し、その積分値を上記計算したベクトル実効長ｌｅｉ（０）により除算することによりパラメータαｉを計算するステップと、
上記計算したベクトル実効長ｌｅｉ（０）及びパラメータαｉと、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉ及び電圧ｖｉとに基づいて、
ｌｅｉ＝ｌｅｉ（０）（１−ｊ・αｉｖｉ／ｉｉ）
なる式を用いて当該アンテナ素子Ａｉのベクトル実効長ｌｅｉを計算するステップとを含むことを特徴とする線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算方法。
【請求項３】
上記計算した当該アンテナ素子Ａｉのベクトル実効長ｌｅｉに、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉを乗算することにより当該アンテナ素子Ａｉ上の素子長方向の電流分布ｉｉ（ｚ）の放射電界を表す量を計算するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２記載の線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算方法。
【請求項４】
上記計算した当該アンテナ素子Ａｉのベクトル実効長ｌｅｉに、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉを乗算して当該アンテナ素子Ａｉ上の素子長方向の電流分布ｉｉ（ｚ）の放射電界を表す量を計算することを複数のアンテナ素子について繰り返すことにより、上記各アンテナ素子に流れる電流ｉｉ’を要素とする等価ウェイトベクトルを計算するステップと、
上記計算した等価ウェイトベクトルに対して、上記線状アレーアンテナ装置の放射方向を示すステアリングベクトルａ（θ，φ）を乗算することにより上記線状アレーアンテナ装置の指向特性Ｅ（θ，φ）を計算するステップとをさらに含むことを特徴とする請求項２記載の線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算方法。
【請求項５】
アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉ及び電圧ｖｉは、アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉ及び電圧ｖｉと、各アンテナ素子Ａｉ，Ａｊ間のアドミタンスからなるアドミタンス行列Ｙｉｊとに関する複数個の関係式に基づいて計算されることを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれか１つに記載の線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算方法。
【請求項６】
上記線状アレーアンテナ装置は、無線信号を送受信するための励振素子と、上記励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の非励振素子と、上記複数の非励振素子にそれぞれ接続された複数の可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記複数の非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させ、当該線状アレーアンテナの指向特性を変化させることを特徴とする請求項１乃至５のうちのいずれか１つに記載の線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算方法。
【請求項７】
複数の線状アンテナ素子Ａｉ，Ａｊにより構成されてなる線状アレーアンテナ装置の電気的特性を計算するための装置であって、
他のアンテナ素子Ａｊによる当該アンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｊの素子長方向の分布を、当該アンテナ素子Ａｉ上のポートｉにおけるアドミタンスＹｉｊで規格化することにより分布関数ｆｉ（ｚ）を計算する手段と、
当該アンテナ素子Ａｉ自身によるアンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｉの素子長方向の分布から、上記計算した分布関数ｆｉ（ｚ）に対してポートｉの位置におけるアドミタンスＹｉｉを乗算した分布を減算して得られた分布に、虚数単位ｊを乗算することにより分布関数ｇｉ（ｚ）を計算する手段と、
当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉに対して上記計算した分布関数ｆｉ（ｚ）を乗算し、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電圧ｖｉに対して、上記計算した分布関数ｇｉ（ｚ）と（−１）と虚数単位ｊとの積を乗算し、これら２つの乗算値を加算することにより当該アンテナ素子Ａｉ上の素子長方向の電流分布ｉｉ（ｚ）を計算する手段とを備えたことを特徴とする線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算装置。
【請求項８】
複数の線状アンテナ素子Ａｉ，Ａｊにより構成されてなる線状アレーアンテナ装置の電気的特性を計算するための装置であって、
他のアンテナ素子Ａｊによる当該アンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｊの素子長方向の分布を、当該アンテナ素子Ａｉ上のポートｉにおけるアドミタンスＹｉｊで規格化することにより分布関数ｆｉ（ｚ）を計算する手段と、
当該アンテナ素子Ａｉ自身によるアンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｉの素子長方向の分布から、上記計算した分布関数ｆｉ（ｚ）に対してポートｉの位置におけるアドミタンスＹｉｉを乗算した分布を減算して得られた分布に、虚数単位ｊを乗算することにより分布関数ｇｉ（ｚ）を計算する手段と、
上記計算した分布関数ｆｉ（ｚ）を当該アンテナ素子Ａｉの素子長方向であって素子方全体にわたって積分することにより、ポートｉに何も接続しない状態のベクトル実効長ｌｅｉ（０）を計算する手段と、
上記計算した分布関数ｇｉ（ｚ）を当該アンテナ素子Ａｉの素子長方向であって素子方全体にわたって積分し、その積分値を上記計算したベクトル実効長ｌｅｉ（０）により除算することによりパラメータαｉを計算する手段と、
上記計算したベクトル実効長ｌｅｉ（０）及びパラメータαｉと、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉ及び電圧ｖｉとに基づいて、
ｌｅｉ＝ｌｅｉ（０）（１−ｊ・αｉｖｉ／ｉｉ）
なる式を用いて当該アンテナ素子Ａｉのベクトル実効長ｌｅｉを計算する手段とを備えたことを特徴とする線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算装置。
【請求項９】
上記計算した当該アンテナ素子Ａｉのベクトル実効長ｌｅｉに、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉを乗算することにより当該アンテナ素子Ａｉ上の素子長方向の電流分布ｉｉ（ｚ）の放射電界を表す量を計算する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項８記載の線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算装置。
【請求項１０】
上記計算した当該アンテナ素子Ａｉのベクトル実効長ｌｅｉに、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉを乗算して当該アンテナ素子Ａｉ上の素子長方向の電流分布ｉｉ（ｚ）の放射電界を表す量を計算することを複数のアンテナ素子について繰り返すことにより、上記各アンテナ素子に流れる電流ｉｉ’を要素とする等価ウェイトベクトルを計算する手段と、
上記計算した等価ウェイトベクトルに対して、上記線状アレーアンテナ装置の放射方向を示すステアリングベクトルａ（θ，φ）を乗算することにより上記線状アレーアンテナ装置の指向特性Ｅ（θ，φ）を計算する手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項８記載の線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算装置。
【請求項１１】
アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉ及び電圧ｖｉは、アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉ及び電圧ｖｉと、各アンテナ素子Ａｉ，Ａｊ間のアドミタンスからなるアドミタンス行列Ｙｉｊとに関する複数個の関係式に基づいて計算されることを特徴とする請求項７乃至１０のうちのいずれか１つに記載の線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算装置。
【請求項１２】
上記線状アレーアンテナ装置は、無線信号を送受信するための励振素子と、上記励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の非励振素子と、上記複数の非励振素子にそれぞれ接続された複数の可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記複数の非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させ、当該線状アレーアンテナの指向特性を変化させることを特徴とする請求項７乃至１１のうちのいずれか１つに記載の線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の線状アンテナ素子により構成されてなる線状アレーアンテナ装置の電気的特性を計算するための方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の線状アンテナ素子により構成されてなるアレーアンテナ装置の指向特性は、各アンテナ素子の電流値からなる電流ベクトルにステアリングベクトルを乗算することにより計算できる。アダプティブアンテナにおいて信号として観測されたり、エスパアンテナ装置においてアドミタンス行列により計算されたりする値は、各アンテナ素子のポートに流れる電流である（非特許文献１及び２参照。）。ここで、ポートとは、いわゆる給電ポートであって、給電線や可変リアクタ等の回路素子が接続されるアンテナ素子上の点又は１対の端子を意味する。
【０００３】
また、エスパアンテナ装置とは、非特許文献１及び２に開示されているように、「無線信号を受信するための励振素子と、上記励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた少なくとも１つの非励振素子と、上記非励振素子に接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させ、アレーアンテナの指向特性を変化させる」アレーアンテナ装置である。
【０００４】
エスパアンテナ装置の解析では、このポート電流を等価ウェイトベクトルと呼んでいる（非特許文献１参照。）。正確に指向特性を計算するために、本発明者らは、アンテナ素子の長さやアンテナ素子上に流れる電流の分布形状（以下、これらを合わせて電流分布と呼ぶ。）を考慮する必要がある。そこで、ポート電流にベクトル実効長を乗算した値を新たな等価ウェイトベクトルとして用いることを非特許文献３において提案している。エスパアンテナ装置では、ポートに給電線の接続される励振素子と可変リアクタが接続される非励振素子が存在し、非特許文献３及び４では、それらのベクトル実効長は異なる式で表されている。
【０００５】
また、非特許文献５では、以下のことが開示されている。「エスパアンテナの非励振素子のベクトル実効長が、実数を比例定数として装荷リアクタンス値と線形性を示す仕組みを、可変リアクタンス素子の装荷点とアンテナ素子上の各点間のアドミタンスにより調べ、他のアンテナ素子により励振されるアンテナ素子上の電流分布形状がほぼ一定であることが線形性の原因であり、同一のアンテナ素子に装荷される可変リアクタンス素子により励振される電流の虚数部のアンテナ素子上の分布のみが特異であることが、比例定数が実数になる原因となっている。この仕組みの究明により、励振素子のベクトル実効長に関しても、給電部に流れる電流値により精度良く表す表現式を得ることができ、これらの線状アレーアンテナ装置のアンテナ素子のベクトル実効長に関する表現式を支配するパラメータをアドミタンスの素子上分布から計算することができる。」
【０００６】
さらに、非特許文献６では、「励振駆動点で有限のギャップを有する複数素子のアレーアンテナ装置に対する積分方程式を得ることができ、この積分方程式の近似値は、通常のアンテナ装置のごとく、ギャップ容量が無視できるという仮定のもとで計算することができ、この近似値は、入力インピーダンスの定常状態の特性を説明するために用いることができる」ことが開示されている。
【０００７】
【非特許文献１】
大平孝，“エスパアンテナ装置の等価ウェイトベクトルとアレーファクタ表現”，電子情報通信学会研究報告，ＡＰ２０００−４４，ＳＡＴ２０００−４１，ＭＷ２０００−４４，ｐｐ．７−１２，電子情報通信学会発行，２０００年７月。
【非特許文献２】
大平孝，“エスパアンテナ装置の等価ウェイトベクトルとその勾配に関する基本的定式化”，電子情報通信学会研究報告，ＡＰ２００１−１６，ＳＡＴ２００１−３，ｐｐ．１５−２０，電子情報通信学会発行，２００１年５月。
【非特許文献３】
飯草恭一ほか，“エスパアンテナ装置の素子上の電流分布に基づく等価ウェイトベクトルの高精度化”，電子情報通信学会研究報告，ＡＰ２００２−４４，ｐｐ．２５−３０，電子情報通信学会発行，２００２年７月。
【非特許文献４】
飯草恭一ほか，実効長行列導入によるエスパアンテナ装置の等価ウェイトベクトルの改良”，電子情報通信学会ソサイエティ大会講演論文集，Ｂ−１−１４０，電子情報通信学会発行，２００２年８月。
【非特許文献５】
飯草恭一ほか，“線状アンテナアレー素子上のアドミタンス分布によるベクトル実効長の考察”，電子情報通信学会研究報告，ＡＰ２００２−１０９，ｐｐ．４５−５２，電子情報通信学会発行，２００２年１０月。
【非特許文献６】
Naoki Inagaki, "An Improved Circuit Theory of a Multi-element Antenna", IEEE Transaction on Antenna and Propagation, Vol. AP-17, No. 2, pp.120-124, March 1969.
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、エスパアンテナ装置では、ポートに給電線の接続される励振素子と可変リアクタが接続される非励振素子が存在し、それらのベクトル実効長は異なる式で表されているが、複数の線状アンテナ素子により構成されてなる線状アレーアンテナ装置の各アンテナ素子上の電流分布、ベクトル実効長や指向特性などの電気的特性を簡単に計算することができなかった。また、従来技術のアレーアンテナ装置の計算方法では、アンテナ素子上の電流分布、アンテナ素子間の相互結合やポートでのインピーダンス整合が考慮されていなかった。
【０００９】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、複数の線状アンテナ素子により構成されてなる線状アレーアンテナ装置の各アンテナ素子上の電流分布や指向特性などの電気的特性を、従来技術に比較してきわめて簡単であって高精度で計算することができる計算方法及び計算装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算方法は、複数の線状アンテナ素子Ａｉ，Ａｊにより構成されてなる線状アレーアンテナ装置の電気的特性を計算するための方法であって、
他のアンテナ素子Ａｊによる当該アンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｊの素子長方向の分布を、当該アンテナ素子Ａｉ上のポートｉにおけるアドミタンスＹｉｊで規格化することにより分布関数ｆｉ（ｚ）を計算するステップと、
当該アンテナ素子Ａｉ自身によるアンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｉの素子長方向の分布から、上記計算した分布関数ｆｉ（ｚ）に対してポートｉの位置におけるアドミタンスＹｉｉを乗算した分布を減算して得られた分布に、虚数単位ｊを乗算することにより分布関数ｇｉ（ｚ）を計算するステップと、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉに対して上記計算した分布関数ｆｉ（ｚ）を乗算し、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電圧ｖｉに対して、上記計算した分布関数ｇｉ（ｚ）と（−１）と虚数単位ｊとの積を乗算し、これら２つの乗算値を加算することにより当該アンテナ素子Ａｉ上の素子長方向の電流分布ｉｉ（ｚ）を計算するステップとを含むことを特徴とする。
【００１１】
第２の発明に係る線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算方法は、複数の線状アンテナ素子Ａｉ，Ａｊにより構成されてなる線状アレーアンテナ装置の電気的特性を計算するための方法であって、
他のアンテナ素子Ａｊによる当該アンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｊの素子長方向の分布を、当該アンテナ素子Ａｉ上のポートｉにおけるアドミタンスＹｉｊで規格化することにより分布関数ｆｉ（ｚ）を計算するステップと、
当該アンテナ素子Ａｉ自身によるアンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｉの素子長方向の分布から、上記計算した分布関数ｆｉ（ｚ）に対してポートｉの位置におけるアドミタンスＹｉｉを乗算した分布を減算して得られた分布に、虚数単位ｊを乗算することにより分布関数ｇｉ（ｚ）を計算するステップと、上記計算した分布関数ｆｉ（ｚ）を当該アンテナ素子Ａｉの素子長方向であって素子方全体にわたって積分することにより、ポートｉに何も接続しない状態のベクトル実効長ｌｅｉ（０）を計算するステップと、
上記計算した分布関数ｇｉ（ｚ）を当該アンテナ素子Ａｉの素子長方向であって素子方全体にわたって積分し、その積分値を上記計算したベクトル実効長ｌｅｉ（０）により除算することによりパラメータαｉを計算するステップと、
上記計算したベクトル実効長ｌｅｉ（０）及びパラメータαｉと、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉ及び電圧ｖｉとに基づいて、
ｌｅｉ＝ｌｅｉ（０）（１−ｊ・αｉｖｉ／ｉｉ）
なる式を用いて当該アンテナ素子Ａｉのベクトル実効長ｌｅｉを計算するステップとを含むことを特徴とする
【００１２】
上記線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算方法において、上記計算した当該アンテナ素子Ａｉのベクトル実効長ｌｅｉに、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉを乗算することにより当該アンテナ素子Ａｉ上の素子長方向の電流分布ｉｉ（ｚ）の放射電界を表す量を計算するステップをさらに含むことを特徴とする。
【００１３】
また、上記線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算方法において、上記計算した当該アンテナ素子Ａｉのベクトル実効長ｌｅｉに、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉを乗算して当該アンテナ素子Ａｉ上の素子長方向の電流分布ｉｉ（ｚ）の放射電界を表す量を計算することを複数のアンテナ素子について繰り返すことにより、上記各アンテナ素子に流れる電流ｉｉ’を要素とする等価ウェイトベクトルを計算するステップと、
上記計算した等価ウェイトベクトルに対して、上記線状アレーアンテナ装置の放射方向を示すステアリングベクトルａ（θ，φ）を乗算することにより上記線状アレーアンテナ装置の指向特性Ｅ（θ，φ）を計算するステップとをさらに含むことを特徴とする。
【００１４】
さらに、上記線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算方法において、アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉ及び電圧ｖｉは、アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉ及び電圧ｖｉと、各アンテナ素子Ａｉ，Ａｊ間のアドミタンスからなるアドミタンス行列Ｙｉｊとに関する複数個の関係式に基づいて計算されることを特徴とする。
【００１５】
またさらに、上記線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算方法において、上記線状アレーアンテナ装置は、無線信号を送受信するための励振素子と、上記励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の非励振素子と、上記複数の非励振素子にそれぞれ接続された複数の可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記複数の非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させ、当該線状アレーアンテナの指向特性を変化させることを特徴とする。
【００１６】
第３の発明に係る線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算装置は、複数の線状アンテナ素子Ａｉ，Ａｊにより構成されてなる線状アレーアンテナ装置の電気的特性を計算するための装置であって、
他のアンテナ素子Ａｊによる当該アンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｊの素子長方向の分布を、当該アンテナ素子Ａｉ上のポートｉにおけるアドミタンスＹｉｊで規格化することにより分布関数ｆｉ（ｚ）を計算する手段と、
当該アンテナ素子Ａｉ自身によるアンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｉの素子長方向の分布から、上記計算した分布関数ｆｉ（ｚ）に対してポートｉの位置におけるアドミタンスＹｉｉを乗算した分布を減算して得られた分布に、虚数単位ｊを乗算することにより分布関数ｇｉ（ｚ）を計算する手段と、
当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉに対して上記計算した分布関数ｆｉ（ｚ）を乗算し、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電圧ｖｉに対して、上記計算した分布関数ｇｉ（ｚ）と（−１）と虚数単位ｊとの積を乗算し、これら２つの乗算値を加算することにより当該アンテナ素子Ａｉ上の素子長方向の電流分布ｉｉ（ｚ）を計算する手段とを備えたことを特徴とする。
【００１７】
第４の発明に係る線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算装置は、複数の線状アンテナ素子Ａｉ，Ａｊにより構成されてなる線状アレーアンテナ装置の電気的特性を計算するための装置であって、
他のアンテナ素子Ａｊによる当該アンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｊの素子長方向の分布を、当該アンテナ素子Ａｉ上のポートｉにおけるアドミタンスＹｉｊで規格化することにより分布関数ｆｉ（ｚ）を計算する手段と、
当該アンテナ素子Ａｉ自身によるアンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｉの素子長方向の分布から、上記計算した分布関数ｆｉ（ｚ）に対してポートｉの位置におけるアドミタンスＹｉｉを乗算した分布を減算して得られた分布に、虚数単位ｊを乗算することにより分布関数ｇｉ（ｚ）を計算する手段と、
上記計算した分布関数ｆｉ（ｚ）を当該アンテナ素子Ａｉの素子長方向であって素子方全体にわたって積分することにより、ポートｉに何も接続しない状態のベクトル実効長ｌｅｉ（０）を計算する手段と、
上記計算した分布関数ｇｉ（ｚ）を当該アンテナ素子Ａｉの素子長方向であって素子方全体にわたって積分し、その積分値を上記計算したベクトル実効長ｌｅｉ（０）により除算することによりパラメータαｉを計算する手段と、
上記計算したベクトル実効長ｌｅｉ（０）及びパラメータαｉと、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉ及び電圧ｖｉとに基づいて、
ｌｅｉ＝ｌｅｉ（０）（１−ｊ・αｉｖｉ／ｉｉ）
なる式を用いて当該アンテナ素子Ａｉのベクトル実効長ｌｅｉを計算する手段とを備えたことを特徴とする。
【００１８】
上記線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算装置において、上記計算した当該アンテナ素子Ａｉのベクトル実効長ｌｅｉに、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉを乗算することにより当該アンテナ素子Ａｉ上の素子長方向の電流分布ｉｉ（ｚ）の放射電界を表す量を計算する手段をさらに備えたことを特徴とする。
【００１９】
また、線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算装置において、上記計算した当該アンテナ素子Ａｉのベクトル実効長ｌｅｉに、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉを乗算して当該アンテナ素子Ａｉ上の素子長方向の電流分布ｉｉ（ｚ）の放射電界を表す量を計算することを複数のアンテナ素子について繰り返すことにより、上記各アンテナ素子に流れる電流ｉｉ’を要素とする等価ウェイトベクトルを計算する手段と、
上記計算した等価ウェイトベクトルに対して、上記線状アレーアンテナ装置の放射方向を示すステアリングベクトルａ（θ，φ）を乗算することにより上記線状アレーアンテナ装置の指向特性Ｅ（θ，φ）を計算する手段とをさらに備えたことを特徴とする。
【００２０】
さらに、上記線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算装置において、アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉ及び電圧ｖｉは、アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉ及び電圧ｖｉと、各アンテナ素子Ａｉ，Ａｊ間のアドミタンスからなるアドミタンス行列Ｙｉｊとに関する複数個の関係式に基づいて計算されることを特徴とする。
【００２１】
またさらに、上記線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算装置において、上記線状アレーアンテナ装置は、無線信号を送受信するための励振素子と、上記励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の非励振素子と、上記複数の非励振素子にそれぞれ接続された複数の可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記複数の非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させ、当該線状アレーアンテナの指向特性を変化させることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態について説明する。
【００２３】
従来技術の項で説明したように、エスパアンテナ装置では、ポートに給電線の接続される励振素子と可変リアクタが接続される非励振素子が存在し、それらのベクトル実効長は異なる式で表されているが、本発明者らは、その電流分布決定のメカニズムは同一であり、他のアンテナ素子の影響でアンテナ素子上に励振される電流分布はほぼ等しいが、その素子自身のポートに発生する電圧により励振される電流の虚数部のみが少し異なった分布を有すること着目し、アレー各アンテナ素子上の電流分布を、ポートに接続される回路素子に依存しない式で表現する方法を発明した。なお、一般に、ベクトル実効長とは、アンテナ素子上の電流量（強度と位相）と電流が分布するアンテナ素子の長さを考慮した総電流をポートの電流値で規格化した値に対応し、実際は実空間におけるベクトル量で方向依存性を有する。しかしながら、本実施形態では、垂直方向に固定されたベクトルを考え、方向特性を考慮せず、水平方向の値のみをベクトル実効長としている。
【００２４】
以下の実施形態においては、アンテナ素子上の電流分布決定のメカニズムを考察するため、一般的な線状アンテナの議論からはじめ、線状アンテナ素子を多セグメントに分割して多ポートアンテナ素子として考察する。アンテナ素子上の電流分布の特性により、ポート電流とポート電圧により、アンテナ素子上の電流分布を表現できることを示す。次いで、この表現法が適用できるためのアンテナ素子配置とポート位置の制限について調べ、本実施形態に係る提案法を一般のアダプティブアレーアンテナ装置に適用することにより、アンテナ素子間相互結合がある場合に対して、インピーダンス整合を考慮して電流分布を表現できることを示す。
【００２５】
まず、多ポート考察によるアドミタンス分布について以下に説明する。
【００２６】
一般の線状アンテナＡｉ，Ａｊを図１のように細かなセグメントに分割して考える。各セグメントの両端には、図２のように仮想ポートｎを考える。回路理論に従って、仮想ポートｎとｎ’（実際に回路素子が接続されるポートも含む）のポート間のアドミタンスＹｎｎ’からなる正方行列［Ｙｎｎ’］により、電流値ｉｎからなる列ベクトル［ｉｎ］は電圧値ｖｎ’からなる列ベクトル［ｖｎ’］と次式のような線形式で表される。
【００２７】
【数１】
［ｉｎ］＝［Ｙｎｎ’］［ｖn’］
【００２８】
ここで、実際のポートが接続される点をｉ，ｊ，…と表すことにすると、実際に回路素子が接続されるポートｊ以外の仮想的なポートには導体が存在するため、電圧値ｖｎ’（ｎ’≠ｊ）は０となるので、次式が得られる。
【００２９】
【数２】
［ｉｎ］＝［Ｙｎｊ］［ｖｊ］
【００３０】
ここで、［Ｙｎｊ］は正方行列でない。実際のポートｉ，ｊのみの電流値に注目すると、次式が得られる。
【００３１】
【数３】
［ｉｉ］＝［Ｙｉｊ］［ｖｊ］
【００３２】
実際に回路素子が接続されるポート数がＭ個であるとすると、［Ｙｉｊ］はＭ×Ｍの正方行列となる。数３が解けるための条件は以下のような場合である。
（条件ａ）Ｍ個のポート電流ｉｉ（ｉ＝１，２，…，Ｍ）の値が与えられる。このとき、Ｍ個のポート電圧ｖｉ（ｉ＝１，２，…，Ｍ）を計算できる。
（条件ｂ）Ｍ個のポート電圧ｖｉ（ｉ＝１，２，…，Ｍ）の値が与えられる。このとき、Ｍ個のポート電流ｉｉ（ｉ＝１，２，…，Ｍ）を計算できる。
（条件ｃ）ポート電流ｉｉ（ｉ＝１，２，…，Ｍ）とポート電圧ｖｉ（ｉ＝１，２，…，Ｍ）のうち、Ｍ個の値が与えられる。このとき、他のＭ個のポート電流ｉｉ及び／又はポート電流ｖｉを計算できる。
（条件ｄ）ポート電流ｉｉの値とポート電圧ｖｉの値、あるいは、ポート電流ｉｉとポート電流ｖｉとの関係式が、合わせてＭ個が与えられる。このとき、２Ｍ個全てのポート電流ｉｉ及び／又はポート電流ｖｉを計算できる。
【００３３】
従って、アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉ及び電圧ｖｉは、アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉ及び電圧ｖｉと、各アンテナ素子Ａｉ，Ａｊ間のアドミタンスからなるアドミタンス行列Ｙｉｊとに関する複数Ｍ個の関係式（例えば、数３）に基づいて計算することができる。
【００３４】
指向特性は電圧でなく電流の分布により計算される。そこで通常、Ｍ個のポート電流ｉｉの算出が目的とされる。ポート電流ｉｉを条件として与えるのが、（条件ａ）の場合である。また、電流の代わりにポート電圧ｖｉを与え、数３によりポート電流ｉｉを求めることもできる。また、与えられるのはポート電圧ｖｉあるいはポート電流ｉｉに限定される必要はなく、（条件ｃ）のようにポート電流ｉｉとポート電圧ｖｉを合わせてＭ個の値が与えられれば、上記数３から全てのポート電流ｉｉを計算することができる。さらに、ポート電流ｉｉあるいはポート電圧ｖｉの値の代わりに、ポート電流ｉｉとポート電圧ｖｉの関係式が与えられれば良いので、（条件ｄ）のように全部でＭ個のポート電流ｉｉあるいはポート電圧ｖｉに関する値あるいは関係式が与えられれば全ての値は解ける。Ｍ素子のエスパアンテナ装置では、１つの励振素子電圧ｖ０（エスパアンテナ装置に関して励振素子を素子番号Ａ０で表す）とＭ−１個の非励振素子に関する電圧と電流の関係式ｖｉ＝−ｊ・Ｘｉｉｉが与えられる（非特許文献１及び２参照。）。
【００３５】
正確な指向特性を計算するためには、ポート電流ｉｉ以外にアンテナ素子上の全てのセグメントｎに流れる電流ｉｎを求める必要がある。そのためには、ポート電流ｉｉでなく、ポート電圧ｖｉが求まれば、上記数２により計算できることが分かる。すなわち、アンテナ素子上の電流分布の情報は行列［Ｙｎｊ］に含まれることが分かる。実際のアンテナ素子上の電流分布がポートに接続される素子の状態（ｖｉ）によって変化するのに対して、アドミタンスの分布Ｙｎｊは依存せず、アンテナ構造で一意に決まる。また、モーメント法などの解析法を用いて計算可能であるので、一度計算して処理メモリ３１に記憶しておけばよい。
【００３６】
次に、線状アンテナ装置が図１のように幾つかのアンテナ素子に分かれている場合を考える。通常のアレーアンテナ装置のように各アンテナ素子に回路素子が接続されるポートが１つのみ存在する場合を考える。アンテナ素子の両端では電流が流れないから、電流分布は次式のように表される。
【００３７】
【数４】
［０…０  ０…０  ０…０  …  ０…０］Ｔ
＝［Ｙｎｊ］［ｖｊ］
【００３８】
ここで、Ｔは行列の転置を表し、また、０で挟まれたドットの部分は有限の複素数値を表す。ｉ番目のポートを有するアンテナ素子Ａｉの電流分布のみに注目し、アンテナ素子Ａｉ上のセグメントを図１のようにｎ（ｉ）と表すと次式が得られる。
【００３９】
【数５】
［０…０］Ｔ
＝［Ｙｎ（ｉ）ｊ］［ｖｊ］
＝Σ｛［Ｙｎ（ｉ）ｊ］’ｖｊ｝
【００４０】
ここで、［Ｙｎ（ｉ）ｊ］’はｎ（ｉ）のみに関する列ベクトルを表し、Σは引数｛・｝におけるｊに関する総和を表す。セグメントの配列ｎ（ｉ）に沿ってｚ座標を考え（すなわち、セグメントの並置方向をｚ軸とする。）、電流分布に対するベクトル表示をｚに関する関数ｉｉ（ｚ）で書き換え、アンテナ素子Ａｊによるアンテナ素子Ａｉ上の電流分布［Ｙｎ（ｉ）ｊ］’をｆｉｊ（ｚ）と表すと、次式のように書き表させる。
【００４１】
【数６】
ｉｉ（ｚ）
＝Σ｛ｖｊｆｉｊ（ｚ）｝
＝ｖｉｆｉｉ（ｚ）＋Σ’｛ｖｊｆｉｊ（ｚ）｝
【００４２】
ここで、Σ’は引数｛・｝におけるｉ自身以外のｊに関する総和を表す。非特許文献３、４及び５によれば、ｊ≠ｉのときエスパアンテナ装置において素子長が約半波長以下なら、分布関数ｆｉｊ（ｚ）の形状は電流分布を考えているアンテナ素子ｉのみによりほぼ決まることが分かった。電流分布ｆｉｊ（ｚ）の源のアンテナ素子Ａｊによる差は分布関数ｆｉｊ（ｚ）の大きさと位相に表れる。すなわち、複素振幅を表すＹｉｊと分布を表すｆｉ（ｚ）を用いて次式のように表される。
【００４３】
【数７】
ｆｉｊ（ｚ）≒Ｙｉｊｆｉ（ｚ）
【００４４】
また、非特許文献３、４及び５によると、アンテナ素子自身のポートｉによりアンテナ素子Ａｉ上に励振される電流分布ｆｉｉ（ｚ）の形状は、その虚数成分のみ分布関数ｆｉ（ｚ）からずれており、分布関数ｇｉ（ｚ）を用いて次式のように表される。
【００４５】
【数８】
ｆｉｉ（ｚ）≒Ｙｉｉｆｉ（ｚ）−ｊ・ｇｉ（ｚ）
【００４６】
ここで、上記数５で表されるように、アンテナ素子の両端部ｚｉ１、ｚｉ２で分布関数ｆｉ（ｚ）と分布関数ｇｉ（ｚ）は０である。また、ポート部ｚｉでも分布関数ｇｉ（ｚ）は０であり、ポート間のアドミタンスＹｉｊの定義により、分布関数ｆｉ（ｚ）は１となる。
【００４７】
【数９】
ｆｉ（ｚ）＝ｇｉ（ｚ）＝０，（ｚ＝ｚｉ１，ｚｉ２）
【数１０】
ｆｉ（ｚ）＝１，ｇｉ（ｚ）＝０，（ｚ＝ｚｉ）
【００４８】
上記数７及び数８がエスパアンテナ装置以外の一般の場合に成り立つかについては、詳細後述する。上記数７及び数８を上記数６に代入すると、次式のように書き改めることができる。
【００４９】
【数１１】
ｉｉ（ｚ）＝ｆｉ（ｚ）ΣｖｊＹｉｊ＋｛−ｊ・ｇｉ（ｚ）｝ｖｉ
【００５０】
上記数１１において、ポート点ｚ＝ｚｉを代入すると、上記数１０により次式が成り立つ。
【００５１】
【数１２】
ｉｉ（ｚｉ）＝ΣｖｊＹｉｊ
【００５２】
上記数１２の左辺はポートｉにおける電流値ｉｉであるので、上記数１１は次式のように表される。
【００５３】
【数１３】
ｉｉ（ｚ）＝ｉｉｆｉ（ｚ）＋ｖｉ｛−ｊ・ｇｉ（ｚ）｝
【００５４】
上記数１３は、アンテナ素子上の電流分布がポートにおける電流ｉｉと電圧値ｖｉから計算できることを意味している。
【００５５】
ポート電流ｉｉとポート電圧ｖｉは、ポートに接続される回路素子によって変化するが、上記数３により上述の（条件ａ）乃至（条件ｄ）のようなＭ個のポート情報から計算できる。一方、分布関数ｆｉ（ｚ）とｇｉ（ｚ）は、ポートに接続される回路素子に依存せず、アンテナ構造で一意に決まるので、一度計算して、後述する図２７の計算装置の処理メモリ３１に記憶しておけばよい。上記数６に従って、原因となるアンテナ素子Ａｊ毎に分布関数ｆｉｊ（ｚ）を計算すれば、正確な電流分布ｉｉ（ｚ）を計算できるが、分布関数ｆｉｊ（ｚ）は複素数をとる関数であるので、Ｍ×Ｍ×２個の分布関数を計算して記憶しておく必要がある。一方、分布関数ｆｉ（ｚ）とｇｉ（ｚ）はほぼ実数値をとるので、上記数７及び数８の関係を用いると２Ｍ個の分布関数だけでよい。なお、これらの分布関数ｆｉ（ｚ）とｇｉ（ｚ）についての物理的意味などを後述の補足説明２において詳述する。
【００５６】
さらに、遠方界では素子上の電流分布の情報はベクトル実効長に集約できる。アンテナ素子上の電流分布ｉｉ（ｚ）をアンテナ素子に沿って（素子の長手方向、すなわち、素子長方向又はｚ軸方向）で積分すると、次式のように表される。
【００５７】
【数１４】
∫ｉｉ（ｚ）ｄｚ
＝ｉｉ∫ｆｉ（ｚ）ｄｚ−ｊ・ｖｉ∫ｇｉ（ｚ）ｄｚ
【００５８】
ここで、積分はｉ番目のアンテナ素子Ａｉの素子長全体にわたってとる。ここで、非特許文献３、４及び５と同様に、ベクトル実効長ｌｅｉを次式で定義する。
【００５９】
【数１５】
ｌｅｉ≡∫ｉｉ（ｚ）ｄｚ／ｉｉ
【００６０】
ポートに何も接続しない状態のベクトル実効長をｌｅｉ（０）と定義すると、ポートに何も接続しないときｖｉ＝０であるから、上記数１３より次式のように表される。
【００６１】
【数１６】
ｌｅｉ（０）≡∫ｆｉ（ｚ）ｄｚ
【００６２】
ここで、数１６の右辺の積分は、当該アンテナ素子Ａｉの素子長方向（ｚ軸方向）であって素子長全体にわたる積分である。また、分布関数ｇｉ（ｚ）のアンテナ素子上の積分値を、ベクトル実効長ｌｅｉ（０）で除算した値を次式のようにパラメータαｉと定義する。
【００６３】
【数１７】
αｉ＝∫ｇｉ（ｚ）ｄｚ／ｌｅｉ（０）
【００６４】
ここで、数１７の右辺の分子の積分は、当該アンテナ素子Ａｉの素子長方向（ｚ軸方向）であって素子長全体にわたる積分である。このように定義すると、上記数１４よりベクトル実効長ｌｅｉは次式のように表される。
【００６５】
【数１８】
ｌｅｉ＝ｌｅｉ（０）（１−ｊ・αｉｖｉ／ｉｉ）
【００６６】
これは、非特許文献５におけるエスパアンテナ装置の励振素子に関するベクトル実効長の表現式に一致する。なお、上記数１８の物理的意味などについて補足説明３において詳細後述する。ここで、ポートにリアクタンス値Ｘｉの可変容量ダイオード１２が接続される場合、ポート電流ｉｉと電圧ｖｉは次式の関係で結ばれる。
【００６７】
【数１９】
ｖｉ＝−ｊ・Ｘｉｉｉ
【００６８】
上記数１９を上記数１８に代入すると、次式が得られる。
【００６９】
【数２０】
ｌｅｉ＝ｌｅｉ（０）（１−αｉＸｉ）
【００７０】
上記数２０は、非特許文献３及び４で得られたエスパアンテナ装置の非励振素子に関するベクトル実効長の表現式である。このように、分布関数ｆｉ（ｚ），ｇｉ（ｚ）を用いなくても、上記数１６及び数１７で定義されるベクトル実効長の値ｌｅｉ（０）とパラメータαｉだけを計算して、後述する図２７の計算装置の処理メモリ３１に記憶しておけば、アンテナ素子上の電流分布が簡易に考慮できる。なお、非特許文献３、４及び５で示されたように、ベクトル実効長ｌｅｉ（０）とパラメータαｉはほぼ正の実数値である。
【００７１】
上記数１６で定義されるベクトル実効長は水平方向（θ＝９０゜；ここで、θはアレーアンテナ装置において中央に位置するアンテナ素子の中心から放射方向の中心に向かう方向から水平方向にずれる角度をいい、９０゜から仰角を減算した角度である。）のベクトル実効長を表す。実際のベクトル実効長は方向依存性を有する。素子の軸に垂直な面内では無指向特性である。軸を含む面内のｆｉ（ｚ），ｇｉ（ｚ）の指向特性を調べる。素子長Ｌ＝λ／２で、給電ポートが中央ｚ＝０に位置するとして計算した７素子のエスパアンテナ装置（送受信する無線信号の波長λ；素子間隔＝λ／４；ｉ＝１，２，…，６）の電流分布関数ｆｉ（ｚ），ｇｉ（ｚ）を図３に示す。なお、図３の横軸は、アンテナ素子の中央点を０としたときの、素子長Ｌで規格化された位置ｚである。素子長Ｌが約半波長以下で上記数９及び数１０のような拘束条件及び電流の連続条件があるため、分布関数ｆｉ（ｚ），ｇｉ（ｚ）は常に図３のような分布を持つと考えられる。なお、図３において、分布関数ｇｉ（ｚ）はその関数の最大値で規格化している。分布関数ｆｉ（ｚ），ｇｉ（ｚ）の特徴はほぼ次式で表現される（例えば、非特許文献６参照。）。
【００７２】
【数２１】
ｆｉ（ｚ）＝ｃｏｓ（πｚ／Ｌ）
【数２２】
ｇｉ（ｚ）＝ｓｉｎ（２πｚ／Ｌ）
【００７３】
上記数２１及び数２２の電流による垂直面内指向特性は解析的に計算可能であり、その式と指向特性を図４に示す。
【００７４】
ここで、複数のアンテナ素子により構成されてなるアレーアンテナ装置においてベクトル実効長ｌｅｉから指向特性Ｅ（θ，φ）を計算する方法について図５を参照して説明する。この計算は等価ウェイトベクトル（各アンテナ素子の電流の配列）にステアリングベクトルを乗算して計算する。本実施形態では、各アンテナ素子の電流値として、ポート電流ｉｉを用いるのでなく、アンテナ素子上の電流分布（分布形状と大きさ）を考慮するため、ポート電流ｉｉにベクトル実効長ｌｅｉを乗算した新たな等価ウェイトベクトルを用いる。具体的には、以下のような手順で行う。
【００７５】
図５において、アレーアンテナ装置は、その中心Ｏに配置されたアンテナ素子Ａ０と、中心Ｏから所定の第１の距離だけ離れた内周上に並置されたアンテナ素子Ａ２，Ａ３と、中心Ｏから所定の第２の距離だけ離れた外周上に並置されたアンテナ素子Ａ３、Ａ４，Ａ５，Ａ６とを備えて構成され、中心Ｏからの放射方向の角度θと方位角φとからなり、当該アレーアンテナ装置の放射方向を示すステアリングベクトルａ（θ，φ）を定義する。図５において、各アンテナ素子ｉに流れる電流ｉ’ｉは、ポート電流ｉｉを用いて次式で表される。
【００７６】
【数２３】
ｉ’ｉ＝ｌｅｉｉｉ
【００７７】
ここで、電流ｉ’ｉを成分とする新たな等価ウェイトベクトルを次式のようにｉ’で表す。
【００７８】
【数２４】
ｉ’＝［ｉ’０，  ｉ’１  ｉ’２，…，  ｉ’ｉ，…，  ｉ’Ｍ］Ｔ
【００７９】
ここで、Ｍはアンテナ素子数を表し、Ｔは行列の転置を表す。指向特性Ｅ（θ，φ）はステアリングベクトルａ（θ，φ）との積で次式のように計算される。
【００８０】
【数２５】
Ｅ（θ，φ）＝ａ（θ，φ）Ｔｉ’
【００８１】
複数のアンテナ素子が平面内に配列されている場合、ステアリングベクトルａ（θ，φ）の各成分ａｉ（θ，φ）は次式で表される。
【００８２】
【数２６】
ａｉ（θ，φ）＝ｅｘｐ｛ｊ・ｋ・ｄｉ・ｓｉｎθｃｏｓ（φ−φｉ）｝
【００８３】
ここで、ｋ＝２π／λは自由空間の波数、ｄｉはｉ番目のアンテナ素子の中心軸からの距離、φｉはｉ番目のアンテナ素子の設置されている方位角である。
【００８４】
以上のごとく、ベクトル実効長から指向特性Ｅ（θ，φ）を計算することができる。上記数２１及び数２２の電流に基づいて解析的に計算された垂直面内指向特性を示す図４に戻り説明する。図４において破線はｓｉｎθを表す。図４から明らかなように、電流分布（ｆｉ（ｚ），ｇｉ（ｚ））は大きく異なるが、遠方界指向特性はほぼ等しいことが分かる。このことから、電流分布関数ｆｉ（ｚ），ｇｉ（ｚ）によるベクトル実効長の角度θ依存性はほぼ等しく、ｓｉｎθ型をしていることが分かる（本実施形態において、ｓｉｎθに実質的に等しい変化をする関数をｓｉｎθ型という。）。従って、アンテナ素子のベクトル実効長の方向依存性は、上記数１８を用いて計算されるベクトル実効長にｓｉｎθを乗算することにより表現できることが分かる。
【００８５】
以上により、分布関数ｆｉ（ｚ），ｇｉ（ｚ）を用いなくても、ベクトル実効長の実数ｌｅｉ（０）とパラメータαｉにより素子上の電流分布がほぼ表される。さらに、７素子のエスパアンテナ装置のように、アンテナ構造が対称性を有している場合は計算に必要なパラメータを大きく減らすことができる。すなわち、本実施形態に係る計算方法は、（ａ）無線信号を送受信するための励振素子と、（ｂ）上記励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた少なくとも１本の非励振素子と、（ｃ）上記非励振素子にそれぞれ接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させ、アレーアンテナの指向特性を変化させるエスパアンテナ装置に適用することもできる。
【００８６】
また、中央のアンテナ素子Ａ０の周りに等間隔で１重にアンテナ素子が配列されるようなアレー配列の場合、周辺アンテナ素子Ａｉ（ｉ＝１，…，Ｍ−１）のベクトル実効長ｌｅｉ（０）とパラメータαｉは等しいので、中央のアンテナ素子Ａｉ（ｉ＝０）のベクトル実効長ｌｅｉ（０）とパラメータαｉと合わせて４個の正の実数を計算して、後述する図２７の計算装置の処理メモリ３１に記憶しておけばよい。さらに、ベクトル実効長ｌｅｉ（０）とパラメータαｉはアンテナ素子の配置に強く依存せず、そのアンテナ素子寸法（素子長）によりほぼ決まるので（非特許文献５参照。）、ベクトル実効長ｌｅｉ（０）とパラメータαｉの２個だけを用いても問題ない場合もある。なお、実際のポート間のアドミタンスＹｉｊに関しても、通常はＭ（Ｍ−１）／２個のデータが必要であるが、上記のような素子の円配列の場合、３＋（Ｍ−１）／２以下の最大の自然数個のデータでよい。一方、モーメント法では、素子配列の対称性は座標に置き換わるだけなので有効に利用されない。また、ポートに回路素子が接続された状態で計算が行われるため、計算の段階では対称性が崩れている。アンテナの構造の有する特性と対称性により、計算に必要となるパラメータの簡略化の様子を図６に示す。また、実際に指向特性を計算する立場から、以上の関係を図７にまとめる。
【００８７】
ポート間のアドミタンス行列Ｙｉｊと、アンテナ素子上の電流分布を決めるパラメータであるベクトル実効長ｌｅｉ（０）とパラメータαｉはポートの状態によらずアンテナ構造で決まるのでモーメント法などを用いて計算して、後述する図２７の計算装置の処理メモリ３１に記憶しておけばよい。ポート電流ｉｉとポート電圧ｖｉは、素子上の電流分布に依存せず、ポート電流ｉｉとポート電圧ｖｉに関するＭ個の条件から、アドミタンス行列Ｙｉｊを用いて上記数３により計算可能である。素子長が約半波長以下のとき素子上の電流分布はベクトル実効長ｌｅｉで表され、素子上の電流分布やｌｅｉはポート電流ｉｉとポート電圧ｖｉによって変化する。先に求めたポート電流ｉｉとポート電圧ｖｉから、パラメータであるベクトル実効長ｌｅｉ（０）とパラメータαｉを用いてベクトル実効長ｌｅｉを計算することができる。ポート電流ｉｉとベクトル実効長ｌｅｉの積によりｉ番目のアンテナ素子Ａｉの電流ｉ'ｉを求め、ステアリングベクトルａ（θ，φ）との積からアレーファクタＦ（θ，φ）を計算できる。なお、アンテナ素子パターンに関しては、図４から明らかなように、アンテナ素子上の電流分布が変化してもほぼ一定でｓｉｎθ型を有するので、アレーファクタＦに乗じれば良いが、ベクトル実効長ｌｅｉに取り入れて考えることもできる。
【００８８】
次いで、本実施形態に係る計算方法についての適応限界について以下に説明する。
【００８９】
上述の理論展開が成り立つために必要な条件は上記数７及び数８である。上記数８は自身に存在するポートにポート電圧ｖｉがある場合、他のアンテナ素子により励振される電流分布と異なる電流分布が生じることを意味している。すなわち、電流分布にとっての拘束条件となっていない。拘束となるのは、その電流分布の変化が、ポート電圧ｖｉと−ｊの位相差を有するという点にある。この拘束条件により、パラメータαｉがほぼ実数となる。しかし、この拘束条件がない場合、パラメータαｉが複素数になるだけで、上述までの議論は成り立つ。なお、この拘束条件が満たされる原因については本実施形態ではふれない。また、上記数７が自己素子についても成り立ち、電流分布が他素子による電流分布と全く同じであるなら、ｇｉ（ｚ）＝０となるので、素子上の電流分布はポート電流ｉｉのみで表されることになる。上記数１３のように、素子上の電流分布ｉｉ（ｚ）が影響を与える相手素子ｊに依存せず、自身のポート電流ｉｉと電圧ｖｉで表されると言う特徴の源は上記数７にあるので、本質的に重要である。上記数７は他の素子により励振される素子上の電流分布は、その素子の構造でほぼ決まることを意味している。このような拘束条件が成り立つ原因は、電流の連続条件、上記数９及び数１０の境界条件、素子長が短いとう条件が原因していると考えられる。すなわち、これらの条件から決まる共振が電流分布を支配していると推測できる。非特許文献５において、素子ダイポールの長さ、太さや素子間隔依存性を調べ、素子長が短ければ、上記数７及び数８がほぼ成り立つことを確認した。本実施形態では、以下のような場合に上記数７及び数８が成り立つかを調べる。
【００９０】
（ア）ポート位置が中央にない場合。
（イ）アレー素子方向が同一平面になく平行でない場合。
（ウ）アレー素子方向が同一平面にあり平行でない場合。
（エ）アレー素子の位置が真横にない場合。
【００９１】
そこで、図８に示すような、太さ０．０２波長、長さ０．５波長のロッドアンテナの５素子のアレーアンテナ装置を考える。中央のアンテナ素子Ａ１はポートが片端（一端）から１／８波長の点に位置する。他のアンテナ素子のポートは中央に位置する。比較のために、素子Ａ２を０．２５波長離れた真横に平行に配置する。素子Ａ３を真横に素子Ａ１と素子Ａ３の中心を結ぶ線（ｙ軸）に直交する方向に４５度傾けて配置する。また、素子Ａ４を真横に素子Ａ１と素子Ａ４を含む面（ｙｚ面）内に４５度傾けて配置する。アンテナ素子Ａ５を０．５波長だけ素子長方向（ｚ軸方向）にずらして配置する。
【００９２】
アンテナ素子Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５それぞれの素子のポートのみに給電電圧を与えた場合のアンテナ素子Ａ１上の電流分布ｆ１ｊ（ｚ）について、モーメント法を用いて計算した結果をそれぞれ図９乃至図１２に示す。なお、図９乃至図１２の横軸は、位置ｚを素子長Ｌで正規化した値を２倍した位置を表す。図９乃至図１２から明らかなように、アンテナ素子の中心を結ぶ線を軸に回転して配置されたアンテナ素子Ａ３では、素子上の電流分布はＡ２の平行な場合とほぼ等しい。また、２個のアンテナ素子を含む面内で回転した場合であるアンテナ素子Ａ４では、アンテナ素子上の電流が非対称になるが、それほど大きな変化ではない。ただし、虚数部が０からの変化を示す。また、軸方向を０．５波長だけずらした場合のアンテナ素子Ａ５では素子上の電流分布の非対称性が強まる。いずれも、上記数７を適用できないレベルではないが、適用した場合に生じる誤差は大きくなる。
【００９３】
アンテナ素子Ａ１自身を励振してＡ１の電流分布から、上記数１３によって得られる分布関数ｇ１（ｚ）を図１３に示す。ここでは、電流分布ｆｉ（ｚ）として真横のアンテナ素子Ａ２を給電した場合の電流分布ｆ２（ｚ）を用いた。虚数部は負であり実数部に比べて大きいが、実数部が無視できるほど小さくないことが分かる。パラメータαｉをほぼ実数として扱えるが、正確さを期するには複素数として定義する必要がある。図１３から明らかなように、分布関数ｇｉ（ｚ）＝０となる位置ｚが中央でなく、ポート点になるため、非対称な分布となっている。この影響は、アンテナ素子を含む面内におけるアンテナ素子パターンが分布関数ｆｉ（ｚ）によるものと異なるとして表れるので、この点を勘案して考えれば、問題はない。また、上記数１７により分布関数ｇｉ（ｚ）を積分して得られるパラメータαｉの値は約０．００４２であり、中央にある場合の約０．００２２の約２倍の大きさを持つ。なお、図８のアンテナ素子Ａ３、Ａ４のように素子の方向が異なる場合は、指向特性の計算にベクトル実効長の向きが異なる点に注意する必要がある。
【００９４】
さらに、上記数１８のアダプティブアレーアンテナ装置への適用について以下に説明する。
【００９５】
上記数１８はエスパアンテナ装置以外にも通常のアダプティブアレーアンテナ装置に適用できる。上記数３のアドミタンス行列Ｙｉｊを用いる点は同じで、Ｍ個のポート電流ｉｉとポート電圧ｖｉに関する条件の与え方が異なるだけである。故に、エスパアンテナ装置のようにアンテナ素子間に相互結合がある場合のアレーアンテナ装置にも適用できる。エスパアンテナ装置の非励振素子には図１４（ａ）のように能動的な素子が接続されないので、ポートの条件は上記数１９で与えられる。一方、通常のアレーアンテナ装置では能動的素子が接続される。定電流ｉｓｉの無線送信機が接続される場合はｉｉ＝ｉｓｉで表される。また、定電圧ｖｓｉの無線送信機が接続される場合は次式のように表される。
【００９６】
【数２７】
ｖｉ＝ｖｓｉ−Ｚｉｉｉ
【００９７】
送信で考えた場合、ポートは図１４（ｂ）のような等価回路で表現できる。等価回路中の抵抗Ｚｉは接続給電線の特性インピーダンスと考えることができる。送信電圧ｖｓｉで制御される場合、上記数３と数２３により全てのポート電流ｉｉとポート電圧ｖｉを解くことができる。すなわち、ポート部のインピーダンス整合を考慮することができる（後述する実施形態の補足説明１参照。）。図１５のような７素子のエスパアンテナ装置（７本のアンテナ素子が並置してなる）と同様な素子構造のアレーアンテナ装置において、図１６のような電圧値ｖｉを設定した場合について、水平面内指向特性を計算した結果を図１９に示す。ここでは、モーメント法においてポート電圧ｖｉを与える設定になっていたので、電源電圧ｖｓｉでなくポート電圧ｖｉを与えたが、提案する本実施形態に係る計算方法において電源電圧ｖｓｉを与えてポート電流ｉｉを求めることはできる（実施形態の補足説明１参照）。なお、図１５の構造に対する物理的及び電気的な構造パラメータを図１７及び図１８に示す。
【００９８】
各アンテナ素子の電流にステアリングベクトルを乗算することにより、指向特性を計算した。図１９において、電流値としてポート電圧ｖｉを代用した結果を間隔の開いた破線で、ポート電流ｉｉを用いた場合の結果を粗い破線で、上記数１８に従って計算した結果を細かな破線で示す。また、モーメント法を用いて計算した結果を実線で示す。ポート電圧ｖｉを代用した場合は、各アンテナ素子の電圧に比例した電流が流れるとしているので、素子間の相互結合が考慮されていない。また、ポート電流を用いた場合はポート電流値をアドミタンスにより計算にしているので、素子間相互結合が考慮されている。しかしながら、素子上の電流分布が考慮されていない。また、上記数１８を用いた場合、素子間相互結合と素子上の電流分布が考慮される。順にモーメント法の計算結果に近づいており、上記数１８によりほぼ等しい結果が得られている。この結果から、上記数１８により、素子間相互結合とポートにおけるインピーダンス整合を取り込んで表せることが分かる。アレーアンテナ装置の指向特性計算法に関して、従来法、エスパアンテナ装置の計算法と提案法の比較を図２０にまとめる。なお、素子間相互作用がない場合は、入力インピーダンスも素子上の電流分布も一定なので、ポート電流だけから計算しても良い。
【００９９】
さらに、ポート電流とポート電圧を考える意味について以下に説明する。ここで、まず、素子上の電流分布と他素子相互作用の考慮について述べる。
【０１００】
通常のアレーアンテナ装置においては、ポート電流かポート電圧の一方のみを考えている。素子間相互結合がない場合には、ポート電流と電圧の比であるインピーダンスあるいはアドミタンスは素子単体の構造で決まっているのが１つの理由である。アンテナ素子と給電線路はポートにおいて、このインピーダンスで整合がとれているとしているので、ポート電流ｉｉとポート電圧ｖｉの両方を考える必要はなく、また、分離して制御することもできなかった。もう１つの理由は、アンテナ素子上の電流分布も決まっているためである。電流分布が決まっていることは、素子上の電流分布により変化するインピーダンスやアドミタンスが固定されているからも、また、その前提とした素子間相互作用がないことからも必然的に理解できる。すなわち、ポート電流ｉｉを与えればポート電圧ｖｉと素子上の電流分布が決まり、またポート電圧ｖｉを与えてもポート電流ｉｉとアンテナ素子上の電流分布が決まる。しかしながら、アレーアンテナ装置において素子間相互作用がある場合、ポート電流と電圧の比は決まっていない。上記数１３より、例えばポート電圧ｖｉ＝０でも電流ｉｉ・ｆｉ（ｚ）は流れ、逆に、ポート電流ｉｉ＝０でも電流ｖｉ｛−ｊ・ｇｉ（ｚ）｝は流れる。逆に、ポート電流と電圧の両者を考慮することにより、アンテナ素子上の電流分布を知ることができる。
【０１０１】
上記数１１より、電流分布ｉｉ（ｚ）には、ポート自身に生じるポート電圧ｖｉに起因するポート電流ｖｉ｛−ｊ・ｇｉ（ｚ）｝，ｆｉ（ｚ）ｖｉ・ａｉｉと他のアンテナ素子の影響で励振される電流ｆｉ（ｚ）Σ’ｖｊａｉｊ（ｊ≠ｉ）に分離して考えることができる。この様子を図２１に示す。図２１において、２つの線状素子Ａ１ａ，Ａ１ｂからなるアンテナ素子Ａ１のポートに定電圧源２０が接続されている。ポート電圧ｖｉにはポートｉのみの影響が表れているが、ポート電流ｉｉには自身と他の全ての素子の影響が含まれていることが分かる。すなわち、相互結合の影響はポート電流ｉｉに含まれているので、ポート電流ｉｉを扱うことにより、他の素子の存在と影響を無視できることになる。なお、ポート電流ｉｉは実際のポート間アドミタンスＹｉｊにより、アンテナ素子上の電流分布とは独立に計算できる（数１２参照。）。
【０１０２】
次いで、１つのアンテナ素子における入出力エネルギーについて以下に説明する。
【０１０３】
図２２乃至図２５に示すように、２つの線状素子Ａ１ａ，Ａ１ｂからなるアンテナ素子Ａ１のポートをショート状態にした場合、オープン状態にした場合、リアクタを接続した場合、定電圧源２０が接続された給電線路を接続した場合を考える。送信時においては、相互作用がある場合、給電線が接続されなくてもアンテナ素子に電流が流れる。また、受信時においては、相互作用がなくても各場合に素子に電流が流れる。同じポート電流が流れても、送信時と受信時でアンテナ素子Ａ１上に流れる電流分布は異なる。以降は受信で考える。
【０１０４】
図２２に示すように、ショート状態とした場合にはポートに電流が流れるが、電圧が０であるため、電力はポートに入力しない。しかし、アンテナ素子Ａ１上の電流は散乱波として入射波電力と同じ電力を放射すると考えられる。また、図２３に示すように、オープン状態にした場合には、ポートには電流は流れないが有限の素子長を有するので、アンテナ素子Ａ１上に電流は流れる。しかし、ポートにおける電流は０であるから、ポートに有限の電圧が誘起されるが、電力はポートに入力しない。従って、アンテナ素子Ａ１に入射したのと等しい電力が散乱される。図２４に示すように、可変リアクタンス素子１２が接続された場合、アンテナ素子Ａ１上に電流が流れ、ポートにも電流と電圧が発生する。しかし、可変リアクタンス素子１２には上記数１９の関係があり電圧と電流の位相差は９０度であるため、電力はポートに入力しない。この場合も、入射した電力はそのまま散乱される。図２５に示すように、アンテナ素子Ａ１のポートに、定電圧源２０が接続された給電線が接続される場合、ポートに電流と電圧が発生する。上記の考察に沿って、電流を電圧と同相成分と９０度位相がずれる成分に分けて考えることができる。同相成分の積がポートへの入力電力となる。散乱に寄与する電力は素子の電流励振に寄与した電力からこのポートに入力した電力である。
【０１０５】
以上のように、ポートにおけるポート電流ｉｉとポート電圧ｖｉはポートへ入出力する電力と散乱電力を決定する物理量なので、その両方ともに考える重要性が理解できる。上述の考察では、ポート電流値ｉｉには他の素子からの相互結合が含まれていることが分かったが、ポート電圧ｖｉと同相の電流ｉｉの成分はポートｉに入出力される電力を表し、すなわちアンテナ素子Ａｉ自身の影響も含まれる。このように、電流分布はポートに入出力する電圧ｖｉと同相な電流成分と９０度位相がずれた成分に分けられる。９０度位相がずれた、ポートに入出力しない電流成分として２種類ある。１つはポート点に電流値が無い分布関数ｇｉ（ｚ）型の電流ｖｉ｛−ｊ・ｇｉ（ｚ）｝と、もう１つは有限の電流値を持つ分布関数ｆｉ（ｚ）型の電流であるが、９０度位相がずれた成分である。図２６のように、入出力電力で見て、電流分布を３つに分解して考えることができる。ポートに入出力されない電流はアイドリングカレント（アイドリング電流）と呼ばれるものに相当すると考えられる。例えば、相互結合や外来波がある場合、ポートをオープン状態にしたときに流れる電流（分布関数ｇｉ（ｚ）型）や、ショート状態にした場合に流れる電流（分布関数ｆｉ（ｚ）型）が対応する。このように、ポートに入出力されない電力に寄与する電流の分布は、送受信で異なるが、送受の可逆性が成り立つためポートに入出力される電力に寄与する電流、すなわちポート電圧と同相の電流成分は送受信で等しくなるものと推察できる。以上のように、ポート電流と電圧を考えることは、電力の流れの立場からも重要である。
【０１０６】
図２７は、本発明に係る実施形態である線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算装置の構成を示すブロック図である。図２７に示すように、
（ａ）当該計算装置は、計算に必要な入力データを入力するキーボードやマウスなどの入力部３２と、
（ｂ）予め計算されたパラメータデータや計算途中の計算値を格納する処理メモリ３１と、
（ｃ）入力部３２を用いて入力された入力データと、予め計算されて処理メモリ３１に格納されたパラメータデータとに基づいて、上述の処理の計算式を用いて所望の電気的特性を計算して出力するＣＰＵにてなる演算装置３０と、
（ｄ）演算装置３０から出力される計算結果である電気的特性を表示又は印刷する、例えばＣＲＴディスプレイやプリンタなどの出力部３３と
を備えて構成される。
【０１０７】
当該計算装置を用いて、複数の線状アンテナ素子Ａｉ，Ａｊにより構成されてなる線状アレーアンテナ装置においてアンテナ素子Ａｉ上の素子長方向の電流分布ｉｉ（ｚ）を計算するためには、上記数１３及び後述する数３２，数３３を用いて計算する。すなわち、他のアンテナ素子Ａｊによる計算処理対象の当該アンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｊの素子長方向の分布を、当該アンテナ素子Ａｉ上のポートｉにおけるアドミタンスＹｉｊで規格化することにより分布関数ｆｉ（ｚ）を計算する。次いで、当該アンテナ素子Ａｉ自身によるアンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｉの素子長方向の分布から、上記計算した分布関数ｆｉ（ｚ）に対してポートｉの位置におけるアドミタンスＹｉｉを乗算した分布を減算して得られた分布に、虚数単位ｊを乗算することにより分布関数ｇｉ（ｚ）を計算する。さらに、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉに対して上記計算した分布関数ｆｉ（ｚ）を乗算し、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電圧ｖｉに対して、上記計算した分布関数ｇｉ（ｚ）と（−１）と虚数単位ｊとの積を乗算し、これら２つの乗算値を加算することにより当該アンテナ素子Ａｉ上の素子長方向の電流分布ｉｉ（ｚ）を計算する。
【０１０８】
また、当該計算装置を用いて、上記線状アレーアンテナ装置におけるアンテナ素子Ａｉのベクトル実効長ｌｅｉを計算するためには、上記数１６乃至数１８を用いて計算する。すなわち、他のアンテナ素子Ａｊによる計算処理対象の当該アンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｊの素子長方向の分布を、当該アンテナ素子Ａｉ上のポートｉにおけるアドミタンスＹｉｊで規格化することにより分布関数ｆｉ（ｚ）を計算する。次いで、当該アンテナ素子Ａｉ自身によるアンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｉの素子長方向の分布から、上記計算した分布関数ｆｉ（ｚ）に対してポートｉの位置におけるアドミタンスＹｉｉを乗算した分布を減算して得られた分布に、虚数単位ｊを乗算することにより分布関数ｇｉ（ｚ）を計算する。そして、上記計算した分布関数ｆｉ（ｚ）を当該アンテナ素子Ａｉの素子長方向であって素子方全体にわたって積分することにより、ポートｉに何も接続しない状態のベクトル実効長ｌｅｉ（０）を計算し、上記計算した分布関数ｇｉ（ｚ）を当該アンテナ素子Ａｉの素子長方向であって素子方全体にわたって積分し、その積分値を上記計算したベクトル実効長ｌｅｉ（０）により除算することによりパラメータαｉを計算する。さらに、上記計算したベクトル実効長ｌｅｉ（０）及びパラメータαｉと、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉ及び電圧ｖｉとに基づいて、上記数１８を用いて当該アンテナ素子Ａｉのベクトル実効長ｌｅｉを計算する。
【０１０９】
さらに、当該計算装置を用いて、上記線状アレーアンテナ装置における当該アンテナ素子Ａｉ上の素子長方向の電流分布ｉｉ（ｚ）の放射電界を表す量を計算するためには、後述する数３４を用いて計算する。すなわち、上記計算した当該アンテナ素子Ａｉのベクトル実効長ｌｅｉに、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉを乗算することにより当該アンテナ素子Ａｉ上の素子長方向の電流分布ｉｉ（ｚ）の放射電界を表す量を計算する。
【０１１０】
またさらに、当該計算装置を用いて、上記線状アレーアンテナ装置の指向特性を計算するためには、後述する数２３乃至数２６及び数３４を用いて計算する。すなわち、上記計算した当該アンテナ素子Ａｉのベクトル実効長ｌｅｉに、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉを乗算して当該アンテナ素子Ａｉ上の素子長方向の電流分布ｉｉ（ｚ）の放射電界を表す量を計算することを複数のアンテナ素子について繰り返すことにより、上記各アンテナ素子に流れる電流ｉｉ’を要素とする等価ウェイトベクトルを計算する。次いで、上記計算した等価ウェイトベクトルに対して、上記線状アレーアンテナ装置の放射方向を示すステアリングベクトルａ（θ，φ）を乗算することにより上記線状アレーアンテナ装置の指向特性Ｅ（θ，φ）を計算する。
【０１１１】
以上説明したように、本実施形態によれば、各アンテナ素子が１つのポートを有するＭ本の線状アンテナ素子からなるアレーアンテナ装置において、アンテナ素子上の電流分布を考慮した実効的な電流量を計算する方法を提案した。各アンテナ素子のポート電流とポート電圧により電流量を計算する。計算に必要なパラメータは２つであり、アドミタンスの素子上分布から計算できる。これらのパラメータはポートに接続される回路素子の種類や状態に依存しないので、一度計算して、計算装置の処理メモリ３１に記憶しておけばよい。また、ポート電流とポート電圧の２Ｍ個の値はポート間のアドミタンスにより計算できる。ポート間のアドミタンスは素子上の電流分布と独立に決まるので、ポート接続の回路素子の種類や状態に依存せず正確なポート電流とポート電流の算出が可能である。２Ｍ個の未知数を計算するためには、ポート電圧とポート電流に関するＭ個の関係式が与えられれば計算できる。ポートに接続される回路素子の種類の相違は、この条件式の与え方の違いとして表れる。このような表現法が適用できるのは、素子長が短く他素子により励振される素子上の電流分布がほぼその素子の共振状態で決定される場合である。また、素子構造や配置が対称性を有する場合、ポート間のアドミタンス行列要素と同時に素子上の電流分布の計算に必要なパラメータの数を大きく減らし、その対称性を反映することができる。本発明者らが提案する本実施形態に係る計算法により、エスパアンテナ装置のみならず、通常のアレーアンテナ装置に対して、素子間相互結合を考慮し、さらにアンテナ素子と回路素子との整合を考慮し、素子上の電流分布を算出できるので、アンテナ特性が計算精度の向上が可能となる。
【０１１２】
＜補足説明１＞
ここでは、ポート電流を計算する方法について補足する。エスパアンテナ装置の各ポート電流値からなるベクトルをｉで表し、電圧値からなる電圧ベクトルをｖで表し、アンテナ素子間インピーダンス要素からなる行列をＺで表すと、上記数３は次式のように表される。
【０１１３】
【数２８】
Ｚ・ｉ＝ｖ
【０１１４】
各ポートに図１４（ｂ）のような給電回路が接続される場合、ベクトルｉと電圧ベクトルｖは次式の関係で結ばれる。
【０１１５】
【数２９】
ｖ＝ｖｓ−Ｚ’・ｉ
【０１１６】
ここで、ｖｓは各給電回路の電源電圧を要素とする列ベクトルであり、Ｚ’は各給電線路のインピーダンスを対角要素とする対角行列である。上記数２８の電圧ベクトルｖに上記数２９を代入し整理すると、次式が得られる。
【０１１７】
【数３０】
ｉ＝（Ｚ＋Ｚ’）−１ｖｓ
【０１１８】
上記数３０から明らかなように、インピーダンス行列の対角項に回路インピーダンスを加えた行列の逆行列を、各給電回路の電圧からなる列ベクトルにかけることにより、各アンテナ素子のポート電流を求めることができる。なお、非励振素子ポートに図１４（ａ）のようなリアクタが接続されるエスパアンテナ装置の場合は、同様にして次式のように表される。
【０１１９】
【数３１】
ｉ＝（Ｚ＋Ｘ）−１ｖ０
【０１２０】
ここで、ＸはＺ’においてリアクタの接続されるポートｉに対応する対角要素をｊ・Ｘｉとした対角行列で、ｖ０はｖｓにおいてリアクタが接続されるポートに対応する要素を０とした列ベクトルである（非特許文献２参照。）。上記数３０及び数３１を用いて、ポートでのインピーダンス整合を考慮してポート電流を計算できる。
【０１２１】
＜補足説明２＞
電流分布ｉｉ（ｚ）を計算できる数１３における分布関数ｆｉ（ｚ），ｇｉ（ｚ）について以下に詳細説明する。上記数１３における分布関数ｆｉ（ｚ）は次式で定義される。
【０１２２】
【数３２】
ｆｉ（ｚ）＝Ｙｎ（ｉ）ｊ／Ｙｉｊ
【０１２３】
分布関数ｆｉ（ｚ）は、他のアンテナ素子Ａｊによるアンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｊの素子長方向（ｚ軸方向）の分布を、アンテナ素子Ａｉ上のポートｉにおけるアドミタンスＹｉｊで規格化したものである。物理的には、他のアンテナ素子Ａｊのポートｊに発生した電圧が原因で、アンテナ素子Ａｉに流れる電流分布をポートｉの値で規格化したものである。なお、上記数３２は、非特許文献５における（１４）式や（３６）式に対応する。上記数３２の定義では、アンテナ素子Ａｊに依存することになるが、アンテナ素子Ａｊによらずほぼ一定の分布を有することを示している（数７参照。）。非特許文献５においては、このことが正しいことを調べており、また、本実施形態では、図８を参照して、より一般的な場合にも成り立つことを確認している。具体的なアンテナ素子Ａｊとしては、適当なアンテナ素子を選択することができるが、最も電流が強く流れると見込まれるアンテナ素子を選択することが適切と考えられる。さらに、非特許文献５のエスパアンテナ装置では、中央に位置する励振素子Ａ０を上記数３２のｊとして計算を行っている。
【０１２４】
上記数１３の分布関数ｇｉ（ｚ）は次式で定義される。
【０１２５】
【数３３】
ｇｉ（ｚ）＝ｊ（Ｙｎ（ｉ）ｉ−ｆｉ（ｚ）Ｙｉｉ）
【０１２６】
分布関数ｇｉ（ｚ）は、アンテナ素子Ａｉ自身によるアンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｉの素子長方向（ｚ軸方向）の分布から、規格化したアドミタンスの分布関数ｆｉ（ｚ）に対してポートｉの位置におけるアドミタンスＹｉｉを乗算した分布を減算して得られた分布に、虚数単位ｊを乗算することにより定義される。物理的には、アンテナ素子Ａｉ自身のポートｉに発生した電圧が原因で、アンテナ素子Ａｉに流れる電流分布は、他のアンテナ素子により励振される電流分布と異なることを示しており、これら２つの電流分布の差に虚数単位ｊを乗算することにより定義される（上記数８参照。）。上記数３３は、非特許文献５における（２２）式や（４０）式の定義式に虚数単位ｊを乗算した式に対応する。なお、上記数３３のように、虚数単位ｊを乗算して定義すると、分布関数ｇｉ（ｚ）はほぼ実数の分布関数になる。また、非特許文献５の特徴ウ及びエに相当するが、非特許文献５では本実施形態における虚数単位ｊを乗算する前の分布関数をｇｉ（ｚ）で定義していることに注意する必要がある。
【０１２７】
＜補足説明３＞
アンテナ素子上の電流分布ｉｉ（ｚ）の代わりに、ポート電流ｉｉにベクトル実効長ｌｅｉを乗算した値ｌｅｉｉｉを、次式に示すように、アンテナ素子上の電流分布の近似式として用いることができる。このことは、上述した指向特性計算において、各アンテナ素子の電流分布の厳密式を用いなくても、そのベクトル実効長を用いて指向特性を計算することができることを意味している。
【０１２８】
【数３４】
ｉｉ（ｚ）≒ｌｅｉｉｉ
【０１２９】
このとき、アンテナ素子パターンは共通としてまとめて別に考慮し、アレーファクタのみを計算する。従って、本実施形態に係るベクトル実効長ｌｅｉは水平方向のものとして、上記数１５で定義している。このとき、アンテナ素子上の位置ｚに対する分布関数ｆｉ（ｚ）とｇｉ（ｚ）とに代わり、パラメータｌｅｉ（０）とαｉによって、ベクトル実効長は上記数１８を用いて計算できる。この計算式の特有のメリットは、パラメータｌｅｉ（０）とαｉは分布でない値なので処理メモリ３１に記憶するための記憶容量が上記数１３の電流分布ｉｉ（ｚ）を計算する場合に比較して少なくてすむ点にある。なお、パラメータｌｅｉ（０）は上記数１６を用いて計算され、パラメータαｉは上記数１７を用いて計算される。
【０１３０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係る線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算方法又は計算装置によれば、複数の線状アンテナ素子Ａｉ，Ａｊにより構成されてなる線状アレーアンテナ装置の電気的特性を計算するための方法であって、他のアンテナ素子Ａｊによる当該アンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｊの素子長方向の分布を、当該アンテナ素子Ａｉ上のポートｉにおけるアドミタンスＹｉｊで規格化することにより分布関数ｆｉ（ｚ）を計算し、当該アンテナ素子Ａｉ自身によるアンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｉの素子長方向の分布から、上記計算した分布関数ｆｉ（ｚ）に対してポートｉの位置におけるアドミタンスＹｉｉを乗算した分布を減算して得られた分布に、虚数単位ｊを乗算することにより分布関数ｇｉ（ｚ）を計算し、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉに対して上記計算した分布関数ｆｉ（ｚ）を乗算し、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電圧ｖｉに対して、上記計算した分布関数ｇｉ（ｚ）と（−１）と虚数単位ｊとの積を乗算し、これら２つの乗算値を加算することにより当該アンテナ素子Ａｉ上の素子長方向の電流分布ｉｉ（ｚ）を計算する。従って、上記線状アレーアンテナ装置のアンテナ素子Ａｉ上の素子長方向の電流分布ｉｉ（ｚ）を、従来技術に比較してきわめて簡単であって高精度で計算することができる。
【０１３１】
また、本発明に係る線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算方法又は計算装置によれば、複数の線状アンテナ素子Ａｉ，Ａｊにより構成されてなる線状アレーアンテナ装置の電気的特性を計算するための方法であって、他のアンテナ素子Ａｊによる当該アンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｊの素子長方向の分布を、当該アンテナ素子Ａｉ上のポートｉにおけるアドミタンスＹｉｊで規格化することにより分布関数ｆｉ（ｚ）を計算し、当該アンテナ素子Ａｉ自身によるアンテナ素子Ａｉ上のアドミタンスＹｎ（ｉ）ｉの素子長方向の分布から、上記計算した分布関数ｆｉ（ｚ）に対してポートｉの位置におけるアドミタンスＹｉｉを乗算した分布を減算して得られた分布に、虚数単位ｊを乗算することにより分布関数ｇｉ（ｚ）を計算し、上記計算した分布関数ｆｉ（ｚ）を当該アンテナ素子Ａｉの素子長方向であって素子方全体にわたって積分することにより、ポートｉに何も接続しない状態のベクトル実効長ｌｅｉ（０）を計算し、上記計算した分布関数ｇｉ（ｚ）を当該アンテナ素子Ａｉの素子長方向であって素子方全体にわたって積分し、その積分値を上記計算したベクトル実効長ｌｅｉ（０）により除算することによりパラメータαｉを計算し、上記計算したベクトル実効長ｌｅｉ（０）及びパラメータαｉと、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉ及び電圧ｖｉとに基づいて、
ｌｅｉ＝ｌｅｉ（０）（１−ｊ・αｉｖｉ／ｉｉ）
なる式を用いて当該アンテナ素子Ａｉのベクトル実効長ｌｅｉを計算する。従って、上記線状アレーアンテナ装置のアンテナ素子Ａｉのベクトル実効長ｌｅｉを、従来技術に比較してきわめて簡単であって高精度で計算することができる。
【０１３２】
上記線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算方法又は計算装置において、上記計算した当該アンテナ素子Ａｉのベクトル実効長ｌｅｉに、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉを乗算することにより当該アンテナ素子Ａｉ上の素子長方向の電流分布ｉｉ（ｚ）の放射電界を表す量を計算する。従って、上記線状アレーアンテナ装置のアンテナ素子Ａｉのベクトル実効長ｌｅｉの近似値を、従来技術に比較してきわめて簡単であって高精度で計算することができる。
【０１３３】
また、上記線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算方法又は計算装置において、上記計算した当該アンテナ素子Ａｉのベクトル実効長ｌｅｉに、当該アンテナ素子Ａｉのポートｉにおける電流ｉｉを乗算して当該アンテナ素子Ａｉ上の素子長方向の電流分布ｉｉ（ｚ）の放射電界を表す量を計算することを複数のアンテナ素子について繰り返すことにより、上記各アンテナ素子に流れる電流ｉｉ’を要素とする等価ウェイトベクトルを計算し、上記計算した等価ウェイトベクトルに対して、上記線状アレーアンテナ装置の放射方向を示すステアリングベクトルａ（θ，φ）を乗算することにより上記線状アレーアンテナ装置の指向特性Ｅ（θ，φ）を計算する。従って、上記線状アレーアンテナ装置の指向特性を、従来技術に比較してきわめて簡単であって高精度で計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る実施形態に係る線状アレーアンテナ装置における線状アンテナ素子のセグメント分割を示す図である。
【図２】  図１の線状アンテナ素子における仮想ポートを示す図である。
【図３】  図１の線状アンテナ素子のポートｉにおける電流値ｉｉの分布関数ｆｉ（ｚ）とｇｉ（ｚ）の素子長方向の分布を示すグラフである。
【図４】  図１の線状アレーアンテナ装置における線状アンテナ素子の線状分布関数ｆｉ（ｚ）とｇｉ（ｚ）の遠方界垂直面内指向特性の計算結果を示すグラフである。
【図５】  複数のアンテナ素子が並置されてなるアレーアンテナ装置においてベクトル実効長から指向特性を計算する方法を示すためのアレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。
【図６】  本実施形態に係る、アレーアンテナ装置の電気的特性を計算するために必要なパラメータの簡略化を示すテーブルである。
【図７】  本実施形態に係るポート電流及びポート電圧の計算方法を示すテーブルである。
【図８】  アレーアンテナ装置におけるアンテナ素子上のポートとアンテナ素子のアレー配置が特殊な場合を示す斜視図である。
【図９】  図８のアレーアンテナ装置において、アンテナ素子Ａ２のポートのみに給電電圧を与えた場合のアンテナ素子Ａ１上の電流分布ｆ１ｊ（ｚ）を、モーメント法で計算した結果（ｊ＝２）を示すグラフである。
【図１０】  図８のアレーアンテナ装置において、アンテナ素子Ａ３のポートのみに給電電圧を与えた場合のアンテナ素子Ａ１上の電流分布ｆ１ｊ（ｚ）を、モーメント法で計算した結果（ｊ＝３）を示すグラフである。
【図１１】  図８のアレーアンテナ装置において、アンテナ素子Ａ４のポートのみに給電電圧を与えた場合のアンテナ素子Ａ１上の電流分布ｆ１ｊ（ｚ）を、モーメント法で計算した結果（ｊ＝４）を示すグラフである。
【図１２】  図８のアレーアンテナ装置において、アンテナ素子Ａ５のポートのみに給電電圧を与えた場合のアンテナ素子Ａ１上の電流分布ｆ１ｊ（ｚ）を、モーメント法で計算した結果（ｊ＝５）を示すグラフである。
【図１３】  本実施形態における数１３を用いて計算された電流分布ｇ１（ｚ）を示すグラフである。
【図１４】  （ａ）は通常のアレーアンテナ装置のポート部の回路構成であって、可変リアクタンス素子１２を接続した場合の回路図であり、（ｂ）は通常のアレーアンテナ装置のポート部の回路構成であって、可変リアクタンス素子を接続した場合の回路図である。
【図１５】  実施例で用いる７素子のアレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。
【図１６】  図１５のアレーアンテナ装置における可変リアクタンス素子（可変容量ダイオード）に対する設定電圧値Ｖ０乃至Ｖ６を示すテーブルである。
【図１７】  図１５のアレーアンテナ装置の物理的構造パラメータを示すテーブルである。
【図１８】  図１５のアレーアンテナ装置の電気的構造パラメータを示すテーブルである。
【図１９】  図１５のアレーアンテナ装置に対する種々の解析法による水平面指向特性の比較結果を示すグラフである。
【図２０】  図１５のアレーアンテナ装置に対する種々の計算法の比較を示すテーブルである。
【図２１】  １つのアンテナ素子における電流分布の影響に基づく分解処理を示す回路図及び各電流分布関数のグラフである。
【図２２】  １つのアンテナ素子においてそのポートをショート状態にしたときの入出力エネルギーを示す回路図及びエネルギーのグラフである。
【図２３】  １つのアンテナ素子においてそのポートをオープン状態にしたときの入出力エネルギーを示す回路図及びエネルギーのグラフである。
【図２４】  １つのアンテナ素子においてそのポートに可変リアクタンス素子１２を接続したときの入出力エネルギーを示す回路図及びエネルギーのグラフである。
【図２５】  １つのアンテナ素子においてそのポートに定電圧源２０を接続したときの入出力エネルギーを示す回路図及びエネルギーのグラフである。
【図２６】  １つのアンテナ素子における電流分布のポート入出力に基づく分解処理を示す回路図及び各電流分布関数のグラフである。
【図２７】  本発明に係る実施形態である線状アレーアンテナ装置の電気的特性の計算装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
Ａ１，Ａｉ，Ａｊ…アンテナ素子、
Ａ１ａ，Ａ１ｂ…線状素子、
ｉｉ…ポート電流、
ｖｊ…ポート電圧、
１２…可変リアクタンス素子、
２０…定電圧源、
２１…定電圧源の入力インピーダンス、
３０…演算装置、
３１…処理メモリ、
３２…入力部、
３３…出力部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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