(57)【要約】【課題】アンテナ形状を最適化するために要する演算量を削減できるアンテナ設計装置を提供する。【解決手段】アンテナ設計装置は、アンテナの所定素子の一部の形状となり得る複数の形状要素を記憶する記憶部（４）と、複数の形状要素から選択された２以上の形状要素を組み合わせてアンテナの所定素子の形状パターンを生成する形状パターン生成部（１１）と、形状パターンがトポロジーに関してアンテナの所定素子として成立するための制約条件を満たすか否かを判定する形状パターン判定部（１２）と、制約条件を満たすと判定された形状パターンについて、アンテナの所定素子の形状を規定する複数の形状パラメータを、その複数の形状パラメータを用いて算出されるアンテナの性能評価指標に基づいて最適化する形状パラメータ最適化部（１３）とを有する。【選択図】図２
2019003311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナの所定素子の一部の形状となり得る複数の形状要素を記憶する記憶部と、
前記複数の形状要素から選択された２以上の形状要素を組み合わせて前記アンテナの前記所定素子の形状パターンを生成する形状パターン生成部と、
前記形状パターンがトポロジーに関して前記アンテナの前記所定素子として成立するための制約条件を満たすか否かを判定する形状パターン判定部と、
前記制約条件を満たすと判定された前記形状パターンについて、前記アンテナの前記所定素子の形状を規定する複数の形状パラメータを、当該複数の形状パラメータを用いて算出される前記アンテナの性能評価指標に基づいて最適化する形状パラメータ最適化部と、
を有するアンテナ設計装置。
【請求項２】
前記記憶部は、前記複数の形状要素のそれぞれについて、当該形状要素に隣接可能な形状要素を示した配置ルールをさらに記憶し、
前記形状パターン判定部は、前記形状パターンに含まれる、前記２以上の形状要素のそれぞれが対応する前記配置ルールに適合する場合、前記形状パターンが前記制約条件を満たすと判定する、請求項１に記載のアンテナ設計装置。
【請求項３】
前記形状パターン判定部は、前記形状パターンに対してラベリング処理を実行し、前記形状パターンに付されたラベルの数が一つである場合、前記形状パターンが前記制約条件を満たすと判定する、請求項１に記載のアンテナ設計装置。
【請求項４】
前記形状パターンが前記制約条件を満たさないと判定された場合、前記形状パターン生成部は、前記形状パターンに含まれる前記２以上の形状要素の少なくとも一つを、前記複数の形状要素のうちの他の形状要素と入れ替えて前記形状パターンを更新する、請求項１〜３の何れか一項に記載のアンテナ設計装置。
【請求項５】
前記アンテナの前記所定素子は放射素子であり、
前記形状パターン生成部は、前記形状パターンを、前記放射素子の給電部を含み、かつ、予め設定されたパターンを持つ固定パターン部と、前記複数の形状要素から選択された２以上の前記形状要素とを組み合わせて生成する、請求項１〜４の何れか一項に記載のアンテナ設計装置。
【請求項６】
前記複数の形状パラメータは、前記アンテナの前記所定素子の幅を表すパラメータと前記アンテナの前記所定素子の長さを表すパラメータとを含む、請求項１〜５の何れか一項に記載のアンテナ設計装置。
【請求項７】
記憶部に記憶された、アンテナの所定素子の一部の形状となり得る複数の形状要素から選択された２以上の形状要素を組み合わせて前記アンテナの前記所定素子の形状パターンを生成し、
前記形状パターンがトポロジーに関して前記アンテナの前記所定素子として成立するための制約条件を満たすか否かを判定し、
前記制約条件を満たすと判定された前記形状パターンについて、前記アンテナの前記所定素子の形状を規定する複数の形状パラメータを、当該複数の形状パラメータを用いて算出される前記アンテナの性能評価指標に基づいて最適化する、
ことを含むアンテナ設計方法。
【請求項８】
記憶部に記憶された、アンテナの所定素子の一部の形状となり得る複数の形状要素から選択された２以上の形状要素を組み合わせて前記アンテナの前記所定素子の形状パターンを生成し、
前記形状パターンがトポロジーに関して前記アンテナの前記所定素子として成立するための制約条件を満たすか否かを判定し、
前記制約条件を満たすと判定された前記形状パターンについて、前記アンテナの前記所定素子の形状を規定する複数の形状パラメータを、当該複数の形状パラメータを用いて算出される前記アンテナの性能評価指標に基づいて最適化する、
ことをコンピュータに実行させるためのアンテナ設計用コンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、アンテナの形状を設計するために用いられるアンテナ設計装置、アンテナ設計方法及びアンテナ設計用コンピュータプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
アンテナの形状は、例えば、アンテナが設置されるスペースのサイズ及び形状と、放射ゲイン、リターンロスといったアンテナに要求される性能とに応じて最適化される。しかし、アンテナは、様々な形状を取り得る。そのため、アンテナの形状を最適化する作業は、経験を必要とし、かつ、煩雑なものとなる。特に、アンテナの形状が複雑になるほど、アンテナの形状を表現するためのパラメータの数が増えるので、最適な形状を探索するための探索空間に含まれるパラメータの値の組の数が膨大となる。その結果として、最適なアンテナの形状を探索するために要する作業時間も膨大となる。そこで、アンテナの形状を自動的に最適化するための技術が提案されている（例えば、特許文献１、２及び非特許文献１を参照）。
【０００３】
アンテナの形状を最適化する技術の一つでは、２次元形状のアンテナのＣＡＤデータの特性データからアンテナの適応度が求められ、その適応度に基づいて収束条件が満たされるか否かが判定される。そして収束条件が満たされない場合、遺伝的アルゴリズムにより、適応度に基づいてＣＡＤデータの一部をその一部と対応する他のＣＡＤデータの一部交換するなどにより新たなＣＡＤデータが生成される。そして新たなＣＡＤデータについて、適応度の算出及び収束条件が満たされるか否かの判定が行われる。
【０００４】
また、アンテナ形状を最適化する技術の他の一つでは、遺伝的アルゴリズムを用いて候補アンテナ群から最良のアンテナ特性を有する最良アンテナが探索される。候補アンテナ群は、アンテナ形成領域を覆う平面導体から、アンテナ形成領域を分割して得られる複数のブロックより選択された欠損ブロックを覆う部分を欠損させた平面アンテナを含む。
【０００５】
さらに、アンテナ形状を最適化する技術の他の一つでは、モノポールアンテナの放射素子の外形が複数の制御点により規定されるスプライン曲線で記述される。各制御点の位置は遺伝的アルゴリズムにより最適化される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２３５３６３号公報
【特許文献２】特開２０１３−６６１５０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】M. John and M.J. Ammann, "Spline-based geometry for printed monopole antennas", ELECTRONICS LETTERS, Vol. 43, No.6, 2007年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の技術では、アンテナの形状の一部が変更される度にアンテナの性能が評価されるので、探索空間が膨大となり、アンテナの形状が最適化されるまでのパラメータ設定及び評価の試行回数も非常に多くなる。そのため、最適なアンテナの形状が得られるまでに要する演算量が膨大となり、その結果として最適なアンテナの形状が得られるまでに要する処理時間も長くなる。
【０００９】
一つの側面では、本発明は、アンテナの形状を最適化するために要する演算量を削減できるアンテナ設計装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一つの実施形態によれば、アンテナ設計装置が提供される。このアンテナ設計装置は、アンテナの所定素子の一部の形状となり得る複数の形状要素を記憶する記憶部と、複数の形状要素から選択された２以上の形状要素を組み合わせてアンテナの所定素子の形状パターンを生成する形状パターン生成部と、形状パターンがトポロジーに関してアンテナの所定素子として成立するための制約条件を満たすか否かを判定する形状パターン判定部と、制約条件を満たすと判定された形状パターンについて、アンテナの所定素子の形状を規定する複数の形状パラメータを、その複数の形状パラメータを用いて算出されるアンテナの性能評価指標に基づいて最適化する形状パラメータ最適化部とを有する。
【００１１】
本発明の目的及び利点は、請求項において特に指摘されたエレメント及び組み合わせにより実現され、かつ達成される。
上記の一般的な記述及び下記の詳細な記述の何れも、例示的かつ説明的なものであり、請求項のように、本発明を限定するものではないことを理解されたい。
【発明の効果】
【００１２】
アンテナの形状を最適化するために要する演算量を削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】アンテナ設計装置の一例を示す図である。
【図２】プロセッサのアンテナ設計処理に関する機能ブロック図である。
【図３】形状要素群の一例を示す図である。
【図４】放射素子の形状パターンの一例を示す図である。
【図５】形状パラメータの一例を示す図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、性能評価指標として用いられるアンテナの特性の一例を示す図である。
【図７】アンテナ設計処理の動作フローチャートである。
【図８】（ａ）は、本実施形態のアンテナ設計処理の結果として得られた逆Ｆアンテナの放射素子の形状を示す図である。（ｂ）は、比較例としてメアンダ状に形成された放射素子を持つ逆Ｆアンテナの形状を示す図である。（ｃ）は、（ａ）に示された逆Ｆアンテナと（ｂ）に示された逆Ｆアンテナのリターンロス特性を示す図である。
【図９】変形例による、階層化された形状要素群の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図を参照しつつ、アンテナ設計装置について説明する。このアンテナ設計装置は、分岐構造を含む複雑なアンテナであっても、できるだけ少ないパラメータを用いてアンテナ形状を表現して、アンテナの形状の最適化に要する演算量を削減する。そのために、このアンテナ設計装置は、アンテナの放射素子の一部の形状となり得る形状要素の組み合わせで表現される形状パターンについて、トポロジーに関して放射素子として成立するための制約条件を満たすか否か判定する。そしてこのアンテナ設計装置は、その制約条件を満たす形状パターンについて、放射素子の形状を規定する複数の形状パラメータを、各形状パラメータを用いた電磁界シミュレーションにより算出される性能評価指標に基づいて最適化する。このように、このアンテナ設計装置は、階層的にアンテナの形状を最適化することで、探索空間を制限して、最適化に要する演算量及び処理時間の削減を図る。
【００１５】
なお、以下に説明する実施形態では、設計対象となるアンテナは逆Ｆアンテナである。また、本実施形態では、アンテナ設計装置は、逆Ｆアンテナの放射素子の形状を設計する。なお、放射素子は、アンテナの所定素子の一例である。
【００１６】
図１は、アンテナ設計装置の一例を示す図である。本実施形態では、アンテナ設計装置１は、ユーザインターフェース２と、通信インターフェース３と、メモリ４と、記憶媒体アクセス装置５と、プロセッサ６とを有する。プロセッサ６は、ユーザインターフェース２、通信インターフェース３、メモリ４及び記憶媒体アクセス装置５と、例えば、バスを介して接続される。
【００１７】
ユーザインターフェース２は、例えば、キーボードとマウスなどの入力装置と、液晶ディスプレイといった表示装置とを有する。または、ユーザインターフェース２は、タッチパネルディスプレイといった、入力装置と表示装置とが一体化された装置を有してもよい。そしてユーザインターフェース２は、例えば、ユーザの操作に応じて、アンテナの設計を開始する操作信号をプロセッサ６へ出力する。またユーザは、ユーザインターフェース２を操作して、設計対象となるアンテナの仕様に関する情報などを入力してもよい。そして入力された情報は、例えば、プロセッサ６により、メモリ４に記憶される。さらに、ユーザインターフェース２は、例えば、プロセッサ６から受け取った、設計されたアンテナの形状を表すデータを表示装置に表示させてもよい。
【００１８】
通信インターフェース３は、例えば、イーサネット（登録商標）などの通信規格に従った通信ネットワークに接続するための通信インターフェース及びその制御回路を有する。そして通信インターフェース３は、通信ネットワークに接続された他の機器から、設計対象となるアンテナの仕様に関する情報などを取得し、その情報をプロセッサ６へ渡す。また通信インターフェース３は、プロセッサ６から受け取った、設計されたアンテナの形状を表すデータを通信ネットワークを介して他の機器へ出力してもよい。
【００１９】
メモリ４は、記憶部の一例であり、例えば、読み書き可能な半導体メモリと読み出し専用の半導体メモリとを有する。そしてメモリ４は、プロセッサ６上で実行される、アンテナ設計処理を実行するためのコンピュータプログラムを記憶する。さらに、メモリ４は、アンテナ設計処理で用いられるデータ、アンテナ設計処理の途中または結果として生成されるデータを記憶する。例えば、メモリ４は、形状要素群及びトポロジー配置判定ルールを記憶する。なお、形状要素群及びトポロジー配置判定ルールの詳細については後述する。
【００２０】
記憶媒体アクセス装置５は、記憶部の他の一例であり、例えば、磁気ディスク、半導体メモリカード及び光記憶媒体といった記憶媒体７にアクセスする装置である。記憶媒体アクセス装置５は、例えば、記憶媒体７に記憶された、アンテナ設計処理用のコンピュータプログラムを読み込み、プロセッサ６に渡す。あるいは、記憶媒体アクセス装置５は、プロセッサ６から受け取った、設計されたアンテナの形状を表すデータを記憶媒体７に書き込む。
【００２１】
プロセッサ６は、例えば、Central Processing Unit(CPU)である。またプロセッサ６は、Graphics Processing Unit(GPU)または数値演算プロセッサを含んでもよい。そしてプロセッサ６は、アンテナ設計処理用コンピュータプログラムを実行する。そしてプロセッサ６は、アンテナ設計処理用コンピュータプログラムを実行することで得られる、設計されたアンテナの形状を表すデータをメモリ４に保存し、またはユーザインターフェース２の表示装置に表示させる。あるいは、プロセッサ６は、設計されたアンテナの形状を表すデータを通信インターフェース３を介して他の機器へ出力してもよい。
【００２２】
図２は、プロセッサ６のアンテナ設計処理に関する機能ブロック図である。プロセッサ６は、形状パターン生成部１１と、形状パターン判定部１２と、形状パラメータ最適化部１３とを有する。
プロセッサ６が有するこれらの各部は、例えば、プロセッサ６上で動作するコンピュータプログラムにより実現される機能モジュールである。あるいは、プロセッサ６が有するこれらの各部は、プロセッサ６が有する演算回路の一部としてアンテナ設計装置１に実装されてもよい。
【００２３】
形状パターン生成部１１は、逆Ｆアンテナの放射素子の形状パターンを生成する。本実施形態では、形状パターンは、予め用意され、メモリ４に記憶された形状要素群から選択された２以上の形状要素の組み合わせにより表現される。したがって、形状パターン生成部１１は、形状要素群から２以上の形状要素を選択し、選択した形状要素を組み合わせることで、放射素子の形状パターンを生成する。
【００２４】
図３は、形状要素群の一例を示す図である。本実施形態では、形状要素群３００は、互いに異なる複数の形状要素３０１−０〜３０１−ｎ（図３に示される例では、ｎ＝１１）を含む。各形状要素は、矩形パターンの組み合わせで規定される。また、各形状要素には、遺伝的アルゴリズムで用いられる遺伝子として扱うことが可能なように、それぞれ識別番号が付される。例えば、形状要素３０１−０には、識別番号'0'（２進数表記'0000'）が付され、形状要素３０１−１１には、識別番号'11'（２進数表記'1011'）が付される。放射素子の形状パターンを単純な矩形パターンの組み合わせでなく、図３に示されるような、互いに異なる形状を持つ形状要素の組み合わせで表現することで、トポロジー探索空間が制限される。そのため、アンテナ設計装置１は、アンテナ設計処理に要する演算量及び処理時間を削減することができる。
【００２５】
図４は、放射素子の形状パターンの一例を示す図である。本実施形態では、放射素子の形状パターン４００は、給電部分を含み、かつ、接地導体４１０と接続される固定パターン部４０１と、複数の形状要素が固定パターン部４０１から順に連結されることで形成される可変パターン部４０２とを含む。固定パターン部４０１は、逆Ｆアンテナのインダクタンス成分を生じさせる部分に相当する。一方、可変パターン部４０２は、逆Ｆアンテナのキャパシタンス成分を生じさせる部分に相当する。可変パターン部４０２の構成は、固定パターン部４０１に近い方の形状要素から順に、可変パターン部４０２に含まれる形状要素の識別番号が並べられたビット列で表現される。図４に示される例では、可変パターン部４０２には、５個の形状要素３０１−２、３０１−３、３０１−１１、３０１−６、３０１−１が含まれる。各形状要素の識別番号は、固定パターン部４０１に近い方から順に、'0010'、'0011'、'1011'、'0110'、'0001'である。したがって、形状パターン４００は、'0010-0011-1011-0110-0001'で表される。
【００２６】
形状パターン生成部１１は、最初に放射素子の形状パターンを生成する際、例えば、仕様により定められる、アンテナを配置可能なスペースのサイズに応じて、形状パターンに含まれる形状要素の数を設定する。例えば、形状要素が連結される方向に沿った形状要素の基準サイズが予め設定される。そして形状パターン生成部１１は、アンテナを配置可能なスペースから固定パターン部を除いた部分の長さを形状要素の基準サイズで割ることで、形状パターンに含まれる形状要素の数を設定する。
【００２７】
あるいは、形状パターン生成部１１は、アンテナが使用される周波数帯域の中心周波数に対応する放射素子の電気長から固定パターン部の長さを除いた残りを形状要素の基準サイズで割ることで、形状パターンに含まれる形状要素の数を設定してもよい。
【００２８】
形状パターンに含まれる形状要素の数が設定されると、形状パターン生成部１１は、形状要素群から、形状パターンに含まれる数の形状要素をランダムに選択する。その際、形状パターン生成部１１は、同じ形状要素を複数個選択してもよい。そして形状パターン生成部１１は、選択した形状要素を、固定パターン部に近い方から順に並べることで、最初の形状パターンを生成する。
【００２９】
形状パターン生成部１１は、形状パターンの更新の際には、例えば、遺伝的アルゴリズムにおける交叉あるいは突然変異といった、世代更新の操作に従って、形状パターンに含まれる何れかの形状要素を入れ替えることで形状パターンを更新する。あるいは、形状パターン生成部１１は、複数の要素の組み合わせを更新する様々なアルゴリズムの何れかにしたがって、形状パターンに含まれる形状要素を入れ替えることで形状パターンを更新してもよい。
【００３０】
形状パターン生成部１１は、放射素子の形状パターンを生成または更新する度に、放射素子の形状パターンを形状パターン判定部１２へ通知する。
【００３１】
形状パターン判定部１２は、形状パターン生成部１１から受け取った放射素子の形状パターンについて、トポロジーに関して放射素子として成立するための制約条件を満たすか否かを判定する。
【００３２】
本実施形態では、トポロジーに関する制約条件は、形状パターンが、連続する一つの形状として表されることである。なお、放射素子に分岐が含まれることは許容される。そこで、各形状要素には、固定パターン部から遠い方に隣接可能な形状要素の識別番号を表すトポロジー配置判定ルールが設定される。例えば、着目する形状要素の固定パターン部から遠い方の端部に対して連続する部分を持ち、かつ、形状要素同士が連結されて形成される形状パターン中で孤立した部分が生じない形状要素が、着目する形状要素に対して隣接可能と判断される。
【００３３】
再度図３を参照すると、各形状要素に対するトポロジー配置判定ルール３１０が示される。トポロジー配置判定ルール３１０では、形状要素ごとに、矢印の左側にその形状要素の識別番号が表され、矢印の右側に隣接可能な形状要素の識別番号が示される。例えば、形状要素３０１−０について隣接可能な形状要素として、形状要素３０１−０、３０１−１、３０１−２、３０１−３、３０１−１０、３０１−１１が示される。また、形状要素３０１−１について隣接可能な形状要素として、形状要素３０１−０、３０１−１、３０１−２、３０１−３が示される。
【００３４】
形状パターン判定部１２は、放射素子の形状パターンに含まれる各形状要素について、トポロジー配置判定ルールに適合するか否か判定する。すなわち、形状パターン判定部１２は、着目する形状要素について、固定パターン部から遠い方に隣接する形状要素が、トポロジー配置判定ルールで示された隣接可能な形状要素であれば、トポロジー配置判定ルールに適合すると判定する。一方、着目する形状要素について、固定パターン部から遠い方に隣接する形状要素が、トポロジー配置判定ルールで示された隣接可能な形状要素でなければ、形状パターン判定部１２は、トポロジー配置判定ルールに適合しないと判定する。そして形状パターン判定部１２は、形状パターンに含まれる全ての形状要素がトポロジー配置判定ルールに適合する場合、その形状パターンを、放射素子の形状パラメータ最適化処理の対象とする。一方、形状パターンに含まれる何れかの形状要素がトポロジー配置判定ルールに適合しない場合、その形状パターンには、固定パターン部と連結されないサブパターンが含まれることになる。そのため、その形状パターンは、トポロジーに関する制約条件を満たさず、逆Ｆアンテナの放射素子の形状パターンとしては不適切である。そこでこの場合、形状パターン判定部１２は、その形状パターンを廃棄する。
【００３５】
変形例によれば、形状パターン判定部１２は、形状パターンに含まれる全ての形状要素がトポロジー判定ルールに適合する場合、その形状パターンに対して連続したパターンに同じラベルを割り振るラベリング処理を実行してもよい。そして形状パターン判定部１２は、二つ以上のラベルが現れた場合、すなわち、形状パターンに、互いに連結されない二つ以上のサブパターンが含まれる場合、その形状パターンを廃棄してもよい。あるいは、形状パターン判定部１２は、各形状要素がトポロジー配置判定ルールに適合するか否かの判定を行う代わりに、ラベリング処理により、トポロジーに関する制約条件が満たされるか否かを判定してもよい。この場合も、形状パターン判定部１２は、ラベルの数が一つである場合、トポロジーに関する制約条件が満たされると判定し、一方、ラベルの数が二つ以上である場合、トポロジーに関する制約条件が満たされないと判定すればよい。
【００３６】
これにより、形状パターン判定部１２は、形状パラメータの最適化を行う前に、放射素子としては不適切なトポロジーを持つ形状パターンを予め排除することができるので、トポロジーに関する探索空間を制限することができる。例えば、図３に示されるように、形状要素群に１２個の形状要素が含まれ、かつ、図４に示されるように、形状パターンの可変パターン部が５個の形状要素で形成される場合、125=248832通りの形状パターンが考えられる。しかし、上記のように、トポロジー配置判定ルールまたはラベリング処理により、不適格な形状パターンを排除することで、形状パターン判定部１２は、形状パラメータの最適化処理の対象となる形状パターンの数を約2万個に限定できる。
【００３７】
形状パターン判定部１２は、形状パラメータ最適化処理の対象となる放射素子の形状パターンを形状パラメータ最適化部１３へ通知する。
【００３８】
形状パラメータ最適化部１３は、形状パターン判定部１２から通知された放射素子の形状パターンについて、その形状パターンのトポロジーを維持しつつ、放射素子の形状を規定する複数の形状パラメータを最適化する。本実形態では、形状パラメータ最適化部１３は、複数の形状パラメータに基づいて、設計されるアンテナに要求される性能に応じた評価指標（以下、単に性能評価指標と呼ぶ）を算出する。そして形状パラメータ最適化部１３は、性能評価指標が所定の性能要件を満たすように、各形状パラメータを最適化する。その際、形状パラメータ最適化部１３は、例えば、設定した形状パラメータの組み合わせに基づいて電磁界シミュレーションを実行することにより、その形状パラメータの組み合わせに対する性能評価指標を算出すればよい。さらに、形状パラメータ最適化部１３は、遺伝的アルゴリズムあるいはシミュレーティッドアニーリングといった大域的な最適化手法を用いて各形状パラメータを最適化する。
【００３９】
図５は、形状パラメータの一例を示す図である。図５に示されるように、形状パターン５００に含まれる固定パターン部５０１及び可変パターン部５０２に含まれる各形状要素５１１〜５１５は、それぞれ、矩形パターンの組み合わせで規定される。そこで、例えば、放射素子の各部の長さ及び幅を調整可能なように、固定パターン部５０１における放射素子の幅方向に沿った矩形パターンの長さW1と、放射素子の長手方向に沿った矩形パターンの長さL1とが形状パラメータとして設定される。さらに、各形状要素５１１〜５１５について、放射素子の長手方向に沿った各矩形パターンの長さL2,L3と、放射素子の幅方向に沿った各矩形パターンの長さW2,W3とが形状パラメータとして設定される。
【００４０】
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、それぞれ、性能評価指標として用いられるアンテナの特性の一例を示す図である。
【００４１】
図６（ａ）は、アンテナのリターンロスに関する周波数特性を表す。図６（ａ）において横軸は周波数を表し、縦軸はS11パラメータを表す。そしてグラフ６０１は、電磁界シミュレーションにより求められる、アンテナのリターンロスに関する周波数特性の例を表す。
【００４２】
リターンロスに基づいて性能評価指標が算出される場合、形状パラメータ最適化部１３は、電磁界シミュレーションによりリターンロスに関する周波数特性をもとめる。そして形状パラメータ最適化部１３は、リターンロスに関する周波数特性に基づいて、例えば、S11パラメータの最小値S11minと、S11パラメータが、一般にリターンロスが良好とされる-10dB以下となる周波数帯域の幅ωBWを求める。そして形状パラメータ最適化部１３は、例えば、次式に従って性能評価指標E1を算出する。
【数１】
2019003311.tif 000003
（１）式で表される性能評価指標E1を用いることで、形状パラメータ最適化部１３は、リターンロスが少なく、かつ広帯域なアンテナとなるように各形状パラメータを最適化できる。
【００４３】
図６（ｂ）は、アンテナの放射ゲイン特性を表す。図６（ｂ）において、xy平面６０２は、アンテナが設置される基板上の面を表し、z軸は、アンテナが設置される面の法線方向を表す。そして例えば、アンテナの給電点が図示される直交座標系の原点Oに対応する。この場合、形状パラメータ最適化部１３は、電磁界シミュレーションにより、例えば、xz平面に設けられる円C1に沿ったアンテナの放射ゲイン特性G1(θ)と、yz平面に設けられる円C2に沿ったアンテナの放射ゲイン特性G2(φ)とをもとめる。なお、角度θは、原点から円C1上の着目する位置へ向かう方向とx軸とがなす角度であり、角度φは、原点から円C2上の着目する位置へ向かう方向とy軸とがなす角度である。そして形状パラメータ最適化部１３は、例えば、次式に従って性能評価指標E2を算出する。
【数２】
2019003311.tif 000004
（２）式で表される性能評価指標E2を用いることで、形状パラメータ最適化部１３は、一様かつ高い放射ゲインを持つアンテナとなるように各形状パラメータを最適化できる。
【００４４】
また、アンテナの共振周波数は、アンテナが使用される所定の周波数fresと一致していることが好ましい。そこで例えば、形状パラメータ最適化部１３は、次式で表される共振周波数に基づく性能評価指標E3を算出してもよい。
【数３】
2019003311.tif 000005
なお、fminは、S11パラメータが最小値となる周波数、すなわち、共振周波数を表す。また定数αは、性能評価指標E3が無限大となることを防止するための定数であり、例えば、0.001〜0.01に設定される。（３）式で表される性能評価指標E3を用いることで、形状パラメータ最適化部１３は、所定の周波数fresを持つ電波を送信または受信可能なアンテナとなるように各形状パラメータを最適化できる。
【００４５】
あるいは、形状パラメータ最適化部１３は、性能評価指標E1〜E3の二つ以上を組み合わせたものを性能評価指標としてもよい。例えば、形状パラメータ最適化部１３は、次式に従って性能評価指標E4を算出してもよい。
【数４】
2019003311.tif 000006
ここで性能評価指標E1〜E3は、それぞれ、（１）〜（３）式で算出される性能評価指標である。性能評価指標E4を用いることで、形状パラメータ最適化部１３は、リターンロスが少なく、広帯域であり、一様かつ高い放射ゲインを持ち、かつ、所定の周波数fresを持つ電波を送信または受信可能なアンテナとなるように各形状パラメータを最適化できる。
【００４６】
形状パラメータ最適化部１３は、性能評価指標が所定の性能要件を満たすまで、形状パラメータの変更、電磁界シミュレーション及び性能評価指標の算出といったパラメータ最適化手順を繰り返す。そして形状パラメータ最適化部１３は、性能評価指標が所定の性能要件を満たしたときの各形状パラメータと、放射素子の形状パターンに含まれる各形状要素及びその配列とをメモリ４に保存する。なお、所定の性能要件は、例えば、設計されるアンテナの仕様により予め定められ、メモリ４に保存される。あるいは、形状パラメータ最適化部１３は、パラメータ最適化手順の試行回数が所定回数に達したときに、各形状パラメータと、放射素子の形状パターンに含まれる各形状要素及びその配列とをメモリ４に保存してもよい。さらに、形状パラメータ最適化部１３は、パラメータ最適化手順の試行回数が所定回数に達しても性能評価指標が所定の性能要件を満たさない場合、形状パターン生成部１１に、放射素子の形状パターンを更新させてもよい。
【００４７】
図７は、プロセッサ６により実行される、アンテナ設計処理の動作フローチャートである。
【００４８】
形状パターン生成部１１は、形状要素群から選択した形状要素を組み合わせて放射素子の形状パターンを生成する（ステップＳ１０１）。そして形状パターン判定部１２は、放射素子の形状パターンがトポロジーに関する制約条件を満たすか否か判定する（ステップＳ１０２）。
【００４９】
放射素子の形状パターンがトポロジーに関する制約条件を満たさない場合（ステップＳ１０２−Ｎｏ）、形状パターン生成部１１は、放射素子の形状パターンを更新する（ステップＳ１０３）。そしてプロセッサ６は、ステップＳ１０２以降の処理を繰り返す。
【００５０】
一方、放射素子の形状パターンがトポロジーに関する制約条件を満たす場合（ステップＳ１０２−Ｙｅｓ）、形状パラメータ最適化部１３は、各形状パラメータの初期値を設定する（ステップＳ１０４）。なお、各形状パラメータの初期値は、予め設定された値とすればよい。また形状パラメータ最適化部１３は、形状パラメータ最適化手順の試行回数nを1に設定する。
【００５１】
形状パラメータ最適化部１３は、設定した各形状パラメータを用いた電磁界シミュレーションを行ってアンテナの性能評価指標を算出する（ステップＳ１０５）。そして形状パラメータ最適化部１３は、性能評価指標が所定の性能要件を満たすか否か判定する（ステップＳ１０６）。
【００５２】
性能評価指標が所定の性能要件を満たさない場合（ステップＳ１０６−Ｎｏ）、形状パラメータ最適化部１３は、試行回数nが所定回数以上となったか否か判定する（ステップＳ１０７）。試行回数nが所定回数未満であれば（ステップＳ１０７−Ｎｏ）、形状パラメータ最適化部１３は、所定の最適化手法に従って形状パラメータを更新する（ステップＳ１０８）。さらに、形状パラメータ最適化部１３は、試行回数nを1インクリメントする。そして形状パラメータ最適化部１３は、ステップＳ１０５以降の処理を繰り返す。
【００５３】
一方、試行回数nが所定回数以上であれば（ステップＳ１０７−Ｙｅｓ）、プロセッサ６は、ステップＳ１０３以降の処理を繰り返す。
【００５４】
また、ステップＳ１０６において、性能評価指標が所定の性能要件を満たす場合（ステップＳ１０６−Ｙｅｓ）、形状パラメータ最適化部１３は、各形状パラメータと、形状パターンに含まれる各形状要素及びその配列とをメモリ４に保存する（ステップＳ１０９）。そしてプロセッサ６は、アンテナ設計処理を終了する。
【００５５】
なお、形状パラメータ最適化部１３は、ステップＳ１０７にて、試行回数nが所定回数以上となったときの各形状パラメータと、形状パターンに含まれる各形状要素及びその配列とをメモリ４に保存してもよい。
【００５６】
図８（ａ）は、本実施形態のアンテナ設計処理の結果として得られた逆Ｆアンテナの放射素子の形状を示す図である。図８（ｂ）は、比較例の逆Ｆアンテナの形状を示す図である。図８（ｃ）は、図８（ａ）に示された逆Ｆアンテナと図８（ｂ）に示された逆Ｆアンテナのリターンロス特性を示す図である。
【００５７】
図８（ａ）に示される逆Ｆアンテナ８００は、アンテナ設計装置１によるアンテナ設計処理の結果として得られた形状を持つ放射素子８０１を有する。なお、この例では、（１）式で表される性能評価指標を用いて、図５に示される各形状パラメータを最適化した。一方、図８（ｂ）に示される逆Ｆアンテナ８１０は、メアンダ状に形成された放射素子８１１を有する。
【００５８】
図８（ｃ）において、横軸は周波数を表し、縦軸はS11パラメータを表す。そしてグラフ８２１は、図８（ａ）に示された逆Ｆアンテナ８００のリターンロスの周波数特性を表す。また、グラフ８２２は、図８（ｂ）に示された逆Ｆアンテナ８１０のリターンロスの周波数特性を表す。図８（ｃ）に示されるように、メアンダ状に形成された放射素子を持つ逆Ｆアンテナ８１０よりも、本実施形態により設計された逆Ｆアンテナ８００の方が、S11パラメータの最小値が小さく、かつ、S11パラメータが-10dB以下となる周波数帯域が広い。このように、本実施形態によるアンテナ設計装置１により、良好な特性を持つアンテナを設計できることが分かる。
【００５９】
以上に説明してきたように、このアンテナ設計装置は、形状要素の組み合わせで形成される放射素子の形状パターンのうち、トポロジーに関して放射素子として成立するための制約条件を満たす形状パターンを選択する。そしてこのアンテナ設計装置は、選択した形状パターンについて、アンテナに要求される性能を満たすように、放射素子の各部の形状を規定する形状パラメータを最適化する。このように、このアンテナ設計装置は、形状パラメータの最適化を行う形状パターンの数を制限するので、アンテナ形状を最適化するために要する演算量及び処理時間を削減できる。
【００６０】
なお、変形例によれば、形状要素群に含まれる各形状要素は、矩形パターン以外の幾何学的な形状を持つパターンもしくはそのようなパターンの組み合わせで形成されてもよい。さらに、形状パラメータの最適化が行われる放射素子の形状パターンは、形状パターン生成部１１及び形状パターン判定部１２の処理が階層的に行われることで決定されてもよい。
【００６１】
図９は、変形例による、階層化された形状要素群の一例を示す図である。この例では、形状パターン生成部１１は、第１の形状要素群９００に含まれる複数の第１の形状要素９０１を組み合わせることで、第２の形状要素９１１を複数生成する。この例では、第１の形状要素群９００に含まれる第１の形状要素９０１は、矩形パターンだけでなく、三角形、五角形、扇形など、様々な形状のパターンとすることができる。
【００６２】
形状パターン生成部１１は、上記の実施形態と同様に、予め決められたスペース内に含めることが可能な２以上の第１の形状要素９０１を第１の形状要素群９００から選択する。そして形状パターン生成部１１は、選択した第１の形状要素９０１をそのスペース内で並べることで第２の形状要素の候補を生成する。形状パターン判定部１２は、第２の形状要素の候補に含まれる第１の形状要素９０１のそれぞれに対して、上記の実施形態と同様に、トポロジー配置判定ルールに適合するか否か判定する。そして形状パターン判定部１２は、全ての第１の形状要素９０１がトポロジー配置判定ルールに適合する第２の形状要素の候補を、第２の形状要素９１１とする。なお、形状パターン判定部１２は、上記の実施形態と同様に、第２の形状要素の候補に対してラベリング処理を実行して、複数のラベルが存在する第２の形状要素の候補を廃棄してもよい。
【００６３】
複数の第２の形状要素９１１が得られると、形状パターン生成部１１は、それら第２の形状要素９１１を含む第２の形状要素群９１０から選択した２以上の第２の形状要素９１１を組み合わせることで、放射素子の形状パターンの候補を生成する。そして形状パターン判定部１２は、放射素子の形状パターンの候補に含まれる第２の形状要素９１１のそれぞれに対して、上記の実施形態と同様に、トポロジー配置判定ルールに適合するか否か判定する。形状パターン判定部１２は、全ての第２の形状要素９１１がトポロジー配置判定ルールに適合する放射素子の形状パターンの候補を、形状パラメータの最適化を行う放射素子の形状パターン９２１とする。この場合も、形状パターン判定部１２は、放射素子の形状パターンの候補に対してラベリング処理を実行して、複数のラベルが存在する放射素子の形状パターンの候補を廃棄してもよい。
【００６４】
なお、放射素子の形状パターン９２１も複数生成されてよい。そしてこの場合には、形状パターン生成部１１は、複数の形状パターン９２１のそれぞれを形状要素としてもよい。そして形状パターン生成部１１は、複数の形状要素９２１を含む第３の形状要素群９２０から選択された２以上の形状要素９２１を組み合わせることで、より大きな放射素子の形状パターンを生成してもよい。
【００６５】
この変形例によれば、アンテナ設計装置は、複雑な形状を持つ放射素子を設計する際も、トポロジーに関して成立しない形状パターンを除いて形状パラメータを最適化することができる。そのため、アンテナ設計装置は、複雑な形状を持つ放射素子を設計する際の演算量及び処理時間を削減できる。
【００６６】
また他の変形例によれば、形状パターン生成部１１は、形状パターンに固定パターン部を含めず、形状パターン全体を形状要素の組み合わせで規定してもよい。これにより、アンテナ設計装置は、放射素子の形状を最適化できる可能性を向上できる。
【００６７】
なお、インピーダンスマッチングのために、放射素子の給電部の形状は制限されることがある。そこで、形状パターンに固定パターン部を含めない場合でも、放射素子についてインピーダンスマッチングできるように、給電部を含む形状要素の形状及び数は制限されてもよい。
【００６８】
さらに他の変形例によれば、図７に示される動作フローチャートに従って形状パラメータの最適化が行われた形状パターンの数が所定数に達しても、性能要件を満たすアンテナ形状が得られないことがある。このような場合、プロセッサ６は、アンテナ設計処理を終了し、性能要件を満たすアンテナ形状が得られないことをユーザインターフェース２を介して通知してもよい。あるいは、形状パターン生成部１１は、形状パターンに含まれる形状要素の数を増加または減少させた上で、新たな形状パターンを生成してもよい。
【００６９】
さらに他の変形例によれば、設計対象となるアンテナは、逆Ｆアンテナに限られず、モノポールアンテナ、ダイポールアンテナ、逆Ｌアンテナあるいはループアンテナなどの線状アンテナであってもよい。また、設計対象となるアンテナは、線状アンテナに限られず、例えば、パッチアンテナあるいは板状逆Ｆアンテナであってもよい。設計対象となるアンテナが何れの場合でも、形状パターン生成部１１は、形状要素群から選択した形状要素を組み合わせて放射素子の形状パターンを生成する。なお、放射素子が３次元的な形状を有する場合には、形状要素群に含まれる形状要素も、３次元的な形状を有していてもよい。形状パターン判定部１２は、生成した形状パターンがトポロジーに関して放射素子として成立するための制約条件を満たすか否か判定すればよい。そして形状パラメータ最適化部１３は、制約条件を満たすと判定された形状パターンについて、形状パラメータを最適化すればよい。なお、この場合も、形状パターン生成部１１は、形状パターンに、給電部を含む固定パターン部を含めてもよい。
【００７０】
さらに他の変形例によれば、形状設計対象となるアンテナの所定素子は、放射素子に限られず、例えば、放射素子と共振するように配置される共振器であってもよい。この場合も、アンテナ設計装置は、アンテナの放射素子の形状を最適化するときと同様に、図７に示される動作フローチャートに従って、共振器の形状を最適化すればよい。
【００７１】
さらに、各実施形態または変形例によるアンテナ設計方法をコンピュータに実現させるコンピュータプログラムは、コンピュータが読み取り可能な記録媒体、例えば、磁気記録媒体、または光記録媒体に記録された形で提供されてもよい。
【００７２】
ここに挙げられた全ての例及び特定の用語は、読者が、本発明及び当該技術の促進に対する本発明者により寄与された概念を理解することを助ける、教示的な目的において意図されたものであり、本発明の優位性及び劣等性を示すことに関する、本明細書の如何なる例の構成、そのような特定の挙げられた例及び条件に限定しないように解釈されるべきものである。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、本発明の精神及び範囲から外れることなく、様々な変更、置換及び修正をこれに加えることが可能であることを理解されたい。
【００７３】
以上説明した実施形態及びその変形例に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
アンテナの所定素子の一部の形状となり得る複数の形状要素を記憶する記憶部と、
前記複数の形状要素から選択された２以上の形状要素を組み合わせて前記アンテナの前記所定素子の形状パターンを生成する形状パターン生成部と、
前記形状パターンがトポロジーに関して前記アンテナの前記所定素子として成立するための制約条件を満たすか否かを判定する形状パターン判定部と、
前記制約条件を満たすと判定された前記形状パターンについて、前記アンテナの前記所定素子の形状を規定する複数の形状パラメータを、当該複数の形状パラメータを用いて算出される前記アンテナの性能評価指標に基づいて最適化する形状パラメータ最適化部と、
を有するアンテナ設計装置。
（付記２）
前記記憶部は、前記複数の形状要素のそれぞれについて、当該形状要素に隣接可能な形状要素を示した配置ルールをさらに記憶し、
前記形状パターン判定部は、前記形状パターンに含まれる、前記２以上の形状要素のそれぞれが対応する前記配置ルールに適合する場合、前記形状パターンが前記制約条件を満たすと判定する、付記１に記載のアンテナ設計装置。
（付記３）
前記形状パターン判定部は、前記形状パターンに対してラベリング処理を実行し、前記形状パターンに付されたラベルの数が一つである場合、前記形状パターンが前記制約条件を満たすと判定する、付記１に記載のアンテナ設計装置。
（付記４）
前記形状パターンが前記制約条件を満たさないと判定された場合、前記形状パターン生成部は、前記形状パターンに含まれる前記２以上の形状要素の少なくとも一つを、前記複数の形状要素のうちの他の形状要素と入れ替えて前記形状パターンを更新する、付記１〜３の何れかに記載のアンテナ設計装置。
（付記５）
前記アンテナの前記所定素子は放射素子であり、
前記形状パターン生成部は、前記形状パターンを、前記放射素子の給電部を含み、かつ、予め設定されたパターンを持つ固定パターン部と、前記複数の形状要素から選択された２以上の前記形状要素とを組み合わせて生成する、付記１〜４の何れかに記載のアンテナ設計装置。
（付記６）
前記形状パラメータ最適化部は、前記性能評価指標として、前記アンテナのリターンロス、放射ゲイン及び共振周波数のうちの少なくとも一つに関する性能評価指標を算出する、付記１〜５の何れかに記載のアンテナ設計装置。
（付記７）
前記複数の形状パラメータは、前記アンテナの前記所定素子の幅を表すパラメータと前記アンテナの前記所定素子の長さを表すパラメータとを含む、付記１〜６の何れかに記載のアンテナ設計装置。
（付記８）
前記記憶部は、前記複数の形状要素の何れかの一部となり得る複数の部分形状要素をさらに記憶し、
前記形状パターン生成部は、前記複数の部分形状要素から選択された２以上の部分形状要素を組み合わせて形状要素の候補を生成し、
前記形状パターン判定部は、前記形状要素の候補が前記制約条件を満たすか否かを判定し、当該形状要素の候補が前記制約条件を満たすと判定した場合、当該形状要素の候補を前記複数の形状要素のうちの一つとして前記記憶部に記憶する、付記１〜７の何れかに記載のアンテナ設計装置。
（付記９）
記憶部に記憶された、アンテナの所定素子の一部の形状となり得る複数の形状要素から選択された２以上の形状要素を組み合わせて前記アンテナの前記所定素子の形状パターンを生成し、
前記形状パターンがトポロジーに関して前記アンテナの前記所定素子として成立するための制約条件を満たすか否かを判定し、
前記制約条件を満たすと判定された前記形状パターンについて、前記アンテナの前記所定素子の形状を規定する複数の形状パラメータを、当該複数の形状パラメータを用いて算出される前記アンテナの性能評価指標に基づいて最適化する、
ことを含むアンテナ設計方法。
（付記１０）
記憶部に記憶された、アンテナの所定素子の一部の形状となり得る複数の形状要素から選択された２以上の形状要素を組み合わせて前記アンテナの前記所定素子の形状パターンを生成し、
前記形状パターンがトポロジーに関して前記アンテナの前記所定素子として成立するための制約条件を満たすか否かを判定し、
前記制約条件を満たすと判定された前記形状パターンについて、前記アンテナの前記所定素子の形状を規定する複数の形状パラメータを、当該複数の形状パラメータを用いて算出される前記アンテナの性能評価指標に基づいて最適化する、
ことをコンピュータに実行させるためのアンテナ設計用コンピュータプログラム。
【符号の説明】
【００７４】
１    アンテナ設計装置
２    ユーザインターフェース
３    通信インターフェース
４    メモリ
５    記憶媒体アクセス装置
６    プロセッサ
７    記憶媒体
１１    形状パターン生成部
１２    形状パターン判定部
１３    形状パラメータ最適化部
【図１】
2019003311.tif 000007
【図２】
2019003311.tif 000008
【図３】
2019003311.tif 000009
【図４】
2019003311.tif 000010
【図５】
2019003311.tif 000011
【図６】
2019003311.tif 000012
【図７】
2019003311.tif 000013
【図８】
2019003311.tif 000014
【図９】
2019003311.tif 000015