(57)【要約】【課題】指向性算出工程、分散算出工程、評価値算出工程を順に実行することにより得られた評価値に基づいてアンテナ形状パラメータを最適化することにより、指向性の周波数依存性を改善するアンテナ設計手法を提供する。【解決手段】本発明はアンテナの側面上に設定した複数の点座標をアンテナ形状パラメータとし、このパラメータの評価処理を実行する評価関数の処理工程として、ＳＴＥＰ１：指向性算出工程、ＳＴＥＰ２：分散算出工程、ＳＴＥＰ３：評価値算出工程がある。この工程を順次実行していくことにより、評価値が得られる。この評価値に基づいてアンテナ形状パラメータを最適化する。【選択図】図２
2008172641.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号線に接続された回転体状の第１素子と、接地された回転体状の第２素子と、前記第１素子および前記第２素子の周囲に設けた回転体状の誘電体部材とを備え、前記第１素子、前記第２素子、前記誘電体部材の回転中心軸が相互に一致するように構成されるアンテナの形状を最適化手法により設計するアンテナ最適設計方法であって、前記第１素子、前記第２素子、前記誘電体部材の側面上に設定した複数の点座標をアンテナ形状パラメータとし、前記アンテナ形状パラメータを最適化手法により評価処理するための評価関数の処理工程として、複数の周波数によりアンテナ指向性を算出する指向性算出工程と、前記複数の周波数における各指向性の分散を算出する分散算出工程と、前記複数の周波数における各指向性の前記分散に基づいて評価値を算出する評価値算出工程と、を含み、前記指向性算出工程、分散算出工程、評価値算出工程を順に実行することにより得られた評価値に基づいて前記アンテナ形状パラメータを最適化することを特徴とするアンテナ最適設計方法。
【請求項２】
前記アンテナ形状パラメータは、前記第１素子、前記第２素子、前記誘電体部材の少なくともいずれか一つの側面上に設定されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ最適設計方法。
【請求項３】
前記分散算出工程は、前記複数の周波数で算出した指向性の平均指向性である各観測角度における利得の平均値を算出し、前記複数の周波数で算出した各指向性について、前記平均指向性との利得の偏差の自乗平均値を分散として算出する工程であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ最適設計方法。
【請求項４】
前記分散算出工程は、予め指向性を改善する目標となる目標指向性を設定しておき、前記複数の周波数で算出した各指向性について、前記目標指向性との利得の偏差の自乗平均値を分散として算出する工程であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ最適設計方法。
【請求項５】
前記分散算出工程は、前記観測角度に応じて重み付けをして前記分散を算出することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のアンテナ最適設計方法。
【請求項６】
前記分散算出工程は、予め定めた観測角度範囲内において前記分散を算出することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のアンテナ最適設計方法。
【請求項７】
前記評価値算出工程は、前記複数の周波数で算出した各指向性に対する前記分散の平均値または合計値を評価値として算出する工程であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のアンテナ最適設計方法。
【請求項８】
前記アンテナの反射損失の周波数特性を算出する反射特性算出工程と、前記反射特性から反射特性性能値を算出する反射特性性能値算出工程と、前記反射特性性能値を利用して評価値を算出する第二評価値算出工程と、を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載のアンテナ最適設計方法。
【請求項９】
前記最適化手法は、遺伝的アルゴリズムであることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載のアンテナ最適設計方法。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れか一項に記載のアンテナ最適設計方法をコンピュータに実行させるためのアンテナ最適設計プログラム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のアンテナ最適設計プログラムをコンピュータが読み取り可能な形式で記録したことを特徴とする記録媒体。
【請求項１２】
請求項１乃至９の何れか一項に記載されたアンテナ最適設計方法により設計されたことを特徴とするアンテナ。
【請求項１３】
請求項１２に記載のアンテナにおいて、信号線に接続された前記第１素子の形状は、側面がテーパー状に広がる回転体形状であり、ｘを前記第１素子の回転体軸方向の位置座標、ａ、ｂ、ｃを任意の定数としたとき、前記テーパーの形状が
ａ／（１＋ｅｘｐ（ｂｘ＋ｃ））
で表され、接地された前記第２素子の形状は、ｘを前記第２素子の回転体軸方向の位置座標、ｍ、ｎを任意の定数としたとき、側面の形状が楕円の式
ｎ（１−（ｘ／ｍ）2）1/2
で表される回転体形状であり、前記誘電体部材が第１素子および第２素子の境界の周囲に形成されたそろばん珠状の膨らみを有する形状であることを特徴とするアンテナ。
【請求項１４】
請求項１２に記載のアンテナを備えたことを特徴とする情報通信機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体通信機器、小型情報端末、その他の無線装置に利用可能なアンテナの設計方法、該方法により設計されたアンテナ、および該方法を実施するためのプログラム及びプログラムを記録した記録媒体に関し、より詳細には、広帯域で反射損失を低減し、指向性の周波数依存性を改善するために有効なアンテナの設計方法、該方法により設計されたアンテナ、および該方法を実施するためのプログラムを記録した記録媒体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、無線通信技術の飛躍的な発展に伴い、無線技術を利用した製品が広く普及し始めている。移動体通信端末などの無線機器では、機器の小型化に伴ってアンテナの小型化が求められている。また、複数の通信方式への対応やＵＷＢのような広帯域伝送への対応のために、水平面内無指向性を有しかつ広帯域で使用可能なアンテナの開発が必要である。
水平面内無指向性を有し広帯域で使用可能なアンテナとしては、図１２に示すバイコニカルアンテナや図１３に示すディスコーンアンテナが従来から知られている。図１２のバイコニカルアンテナは、２つの円錐状素子１００、１０１を円錐の頂点Ａで互いに接続し、円錐の底面Ｂ、Ｃを両端に配置した構成を有する。また図１３のディスコーンアンテナは、モノポールアンテナの放射素子１０２の形状を逆円錐状にした構造を有しており、この形状はバイコニカルアンテナの一方１０３を円板状にしたものと考えることもできる。このような水平面内無指向性のアンテナの構造を改良することにより広帯域化する検討が従来なされている。
【０００３】
図１４は特許文献１に開示されたアンテナの断面図である。このアンテナでは、円錐状の放射電極の一部を、導体を含有するゴムやエラストマーなどの低導電率部材１０４、１０５で構成することにより、給電部への反射電力が減殺され広帯域で反射損失が低減される技術について開示されている。
また、図１５は特許文献２に開示されたアンテナの断面図である。このアンテナでは、逆円錐形１２Ａと球面１２Ｂを幾何学的に組み合わせた形状の涙滴形素子１２を放射素子として用いることにより、反射電流が抑えられ広帯域で反射損失が低減される技術について開示されている。
また、図１６は特許文献３に開示されたアンテナである。このアンテナは、放射素子の外周面が半楕円回転体形の導体２０２と平面地板２０３とから構成される。このアンテナでは、放射素子を半楕円回転体形または半球形の形状にすることにより、小型化および広帯域化を図っている。
【０００４】
以上のように、水平面無指向性アンテナにおいて広帯域で反射損失を低減することでアンテナを使用可能な帯域を広帯域化する検討が従来なされている。しかしながら、広帯域アンテナでは、広帯域で反射損失が低いだけでなく、周波数による指向性の変化（ばらつき）が少ないことが求められる。これは、指向性が周波数によって変化すると、特定の方向で観測したときの伝達関数が周波数によって変わってしまうためである。
【特許文献１】特開２００４−２０１２６４公報
【特許文献２】特開２００４−１２９２０９公報
【特許文献３】特開平０９−１５３７２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１、２、３に開示されている従来技術は、広帯域で反射損失を低減するように改良されているが、指向性の周波数依存性に対しては何ら工夫がなされていなかった。また、指向性の周波数依存性を改善するアンテナ設計手法についても検討されていなかった。
本発明は、かかる課題に鑑み、指向性算出工程、分散算出工程、評価値算出工程を順に実行することにより得られた評価値に基づいてアンテナ形状パラメータを最適化することにより、指向性の周波数依存性を改善するアンテナ設計手法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】
【０００６】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、信号線に接続された回転体状の第１素子と、接地された回転体状の第２素子と、前記第１素子および前記第２素子の周囲に設けた回転体状の誘電体部材とを備え、前記第１素子、前記第２素子、前記誘電体部材の回転中心軸が相互に一致するように構成されるアンテナの形状を最適化手法により設計するアンテナ最適設計方法であって、前記第１素子、前記第２素子、前記誘電体部材の側面上に設定した複数の点座標をアンテナ形状パラメータとし、前記アンテナ形状パラメータを最適化手法により評価処理するための評価関数の処理工程として、複数の周波数によりアンテナ指向性を算出する指向性算出工程と、前記複数の周波数における各指向性の分散を算出する分散算出工程と、前記複数の周波数における各指向性の前記分散に基づいて評価値を算出する評価値算出工程と、を含み、前記指向性算出工程、分散算出工程、評価値算出工程を順に実行することにより得られた評価値に基づいて前記アンテナ形状パラメータを最適化することを特徴とする。
アンテナ形状パラメータは、前記第１素子または前記第２素子または前記誘電体部材の側面上の座標に変数変換することが可能なパラメータであれば何でも良く、例えば、側面の傾き角度、長さなどであっても良い。
また、最適化を行うパラメータとしては、前記アンテナ形状パラメータだけでなく、必要に応じてアンテナを構成する部材の材質をパラメータとしても良い。例えば、前記誘電体部材の誘電率をパラメータとすることも可能である。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、前記アンテナ形状パラメータは、前記第１素子、前記第２素子、前記誘電体部材の少なくともいずれか一つの側面上に設定されることを特徴としている。
請求項３に記載の発明は、前記分散算出工程は、前記複数の周波数で算出した指向性の平均指向性である各観測角度における利得の平均値を算出し、前記複数の周波数で算出した各指向性について、前記平均指向性との利得の偏差の自乗平均値を分散として算出する工程であることを特徴とする。
分散算出工程においては、先ず指向性Ｇ（θ、ｆ）の平均指向性、すなわち観測角度θに対する利得の平均値Ｇａｖｇ（θ）を算出する。次に、指向性Ｇ（θ、ｆ）の平均指向性Ｇａｖｇ（θ）からの分散Ｖ（ｆ）を各周波数について以下の式により算出する。
2008172641.tif 000003
ここで、Ｍは観測角度分割数、θ１は評価開始角度、θＭは評価終了角度、Ｗ（θ）は重み付け関数を表す。
【０００８】
請求項４に記載の発明は、前記分散算出工程は、予め指向性を改善する目標となる目標指向性を設定しておき、前記複数の周波数で算出した各指向性について、前記目標指向性との利得の偏差の自乗平均値を分散として算出する工程であることを特徴とする。
分散Ｖ（ｆ）の算出式については、平均指向性Ｇａｖｇ（θ）の代わりに、指向性を改善する目標となる目標指向性Ｇｔａｒｇｅｔ（θ）を任意に設定しても良い。また、指向性の分散を定量化し特性の優劣を比較することが可能であれば、上式に限定されずどのような算出式であっても良い。
請求項５に記載の発明は、前記分散算出工程は、前記観測角度に応じて重み付けをして前記分散を算出することを特徴とする。
例えば、分散算出工程において重み付け関数Ｗ（θ）は以下のように定めることができる。
2008172641.tif 000004
この場合、分散Ｖ（ｆ）は以下の式で表される。
2008172641.tif 000005
【０００９】
請求項６に記載の発明は、前記分散算出工程は、予め定めた観測角度範囲内において前記分散を算出することを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、前記評価値算出工程は、前記複数の周波数で算出した各指向性に対する前記分散の平均値または合計値を評価値として算出する工程であることを特徴とする。
評価値算出工程においては、分散Ｖ（ｆ）の周波数に対する平均値を算出し、これを評価値Ｓｃｏｒｅとする。Ｎは周波数分割数、ｆ１は評価開始周波数、ｆＮは評価終了周波数を示している。
2008172641.tif 000006
【００１０】
請求項８に記載の発明は、前記アンテナの反射損失の周波数特性を算出する反射特性算出工程と、前記反射特性から反射特性性能値を算出する反射特性性能値算出工程と、前記反射特性性能値を利用して評価値を算出する第二評価値算出工程と、を更に備えたことを特徴とする。
反射特性算出工程においては、母集団の各個体が持つ遺伝子情報である形状パラメータに基づいて計算モデルを生成し、ＦＤＴＤ法を使用して反射特性Ｓ１１（ｆ）を算出する。ここで反射特性とは、反射損失の周波数に対する依存性であり、周波数ｆの関数で表現される。また反射特性性能値算出工程では、算出した反射特性Ｓ１１（ｆ）に基づいて反射特性性能値Ｐを算出する。反射特性性能値Ｐの算出式は、広帯域で反射損失が低減された良好な特性であるほど、前記反射特性性能値が小さくなるように定めた。
【００１１】
請求項９に記載の発明は、前記最適化手法は、遺伝的アルゴリズムであることを特徴とする。
アンテナ形状パラメータの最適化手法として遺伝的アルゴリズムを使用し、形状パラメータを遺伝子情報として持つ個体の母集団を生成し、評価処理、選択処理、変異処理を繰り返すことにより形状パラメータの最適化を行った。
請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至９の何れか一項に記載のアンテナ最適設計方法をコンピュータに実行させるためのアンテナ最適設計プログラムであることを特徴とする。
請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載のアンテナ最適設計プログラムをコンピュータが読み取り可能な形式で記録した記録媒体であることを特徴とする。
【００１２】
請求項１２に記載の発明は、請求項１乃至９の何れか一項に記載されたアンテナ最適設計方法により設計されたアンテナであることを特徴とする。
請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載のアンテナにおいて、信号線に接続された前記第１素子の形状は、側面がテーパー状に広がる回転体形状であり、ｘを前記第１素子の回転体軸方向の位置座標、ａ、ｂ、ｃを任意の定数としたとき、前記テーパーの形状がａ／（１＋ｅｘｐ（ｂｘ＋ｃ））で表され、接地された前記第２素子の形状は、ｘを前記第２素子の回転体軸方向の位置座標、ｍ、ｎを任意の定数としたとき、側面の形状が楕円の式ｎ（１−（ｘ／ｍ）2）1/2で表される回転体形状であり、前記誘電体部材が第１素子および第２素子の境界の周囲に形成されたそろばん珠状の膨らみを有する形状であることを特徴とする。
本発明のアンテナ最適設計方法を用いて設計したアンテナは、指向性の周波数依存性が改善されているので、広帯域で良好な通信状態を実現できる。
請求項１４に記載の発明は、請求項１２に記載されたアンテナを情報通信機器に備えたことを特徴とする。
本発明のアンテナ最適設計方法により得られたアンテナは、広帯域で指向性および反射特性が優れているため、このアンテナを情報通信機器に備えることにより広帯域で良好な通信状態を実現できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、第１素子、第２素子、誘電体部材の側面上に設定した複数の点座標をアンテナ形状パラメータとし、このパラメータを最適化することにより、周波数による指向性の変化（ばらつき）を抑えたアンテナ設計が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
［実施例１］
図１は本発明の第１の実施例においてアンテナ最適設計を行う初期モデルとして採用したアンテナ形状を示す断面図である。
このアンテナの形状は、２つの円錐状素子を円錐の頂点で向かい合わせた形状であり、バイコニカルアンテナとして従来から知られている。また、これらの円錐状素子の周囲には比誘電率２．０の回転体状の誘電体部材４５を備えている。
このアンテナは、同軸線路４２によって下方から給電され、同軸線路４２の信号線４３に第１素子４０が接続され、同軸線路４２の外導体（接地導体）４４に第２素子４１が接続されている。
図１において、第１素子４０および第２素子４１の側面上に設定した６点の座標（ｘ１，ｚ１）、（ｘ２，ｚ２）、（ｘ３，ｚ３）、（ｘ４，ｚ４）、（ｘ５，ｚ５）、（ｘ６，ｚ６）、および誘電体部材４５の側面上に設定した４点の座標（ｘ７，ｚ７）、（ｘ８，ｚ８）、（ｘ９，ｚ９）、（ｘ１０，ｚ１０）をアンテナ形状パラメータとした。このアンテナ形状パラメータの最適化手法として遺伝的アルゴリズムを使用し、形状パラメータを遺伝子情報として持つ個体の母集団を生成し、評価処理、選択処理、変異処理を繰り返すことにより前記形状パラメータの最適化を行った。
【００１５】
図２は第１の実施例の評価処理を実行するための評価関数の処理工程図である。
ＳＴＥＰ１の指向性算出工程においては、母集団の各個体が持つ遺伝子情報である形状パラメータに基づいて計算モデルを生成し、ＦＤＴＤ法を使用して１０ＧＨｚ〜３０ＧＨｚの範囲において１ＧＨｚ間隔で指向性Ｇ（θ，ｆ）を算出する。ここで指向性とは、観測角度に対する利得Ｇの変化であり、観測角度θと周波数ｆの関数で表現される。観測角度θは、図１に示すようにアンテナの天頂方向をθ＝０°、水平方向をθ＝９０°とした。
ＳＴＥＰ２の分散算出工程においては、先ずＳＴＥＰ１で算出した指向性Ｇ（θ，ｆ）の平均指向性、すなわち観測角度θに対する利得の平均値Ｇａｖｇ（θ）を算出する。次に、指向性Ｇ（θ，ｆ）の平均指向性Ｇａｖｇ（θ）からの分散Ｖ（ｆ）をｆ＝１０、１５、２０、２５、３０ＧＨｚ（周波数分割数Ｎ＝５）の各周波数について（１）式により算出する。ここでＭは観測角度分割数、θ１は評価開始角度、θＭは評価終了角度、Ｗ（θ）は重み付け関数を表す。
2008172641.tif 000007
本実施例の分散算出工程においては、重み付け関数Ｗ（θ）は以下のように定めた。
2008172641.tif 000008
したがって、本実施例における分散Ｖ（ｆ）は（２）式で表される。
2008172641.tif 000009
【００１６】
観測角度θの評価範囲は、水平方向（θ＝９０°）から±４０°すなわちθ＝５０〜１３０°（θ１＝５０°、θＭ＝１３０°）とした。観測角度θの評価範囲において、観測角度ステップを１°としたので角度分割数Ｍ＝８１である。
尚、分散Ｖ（ｆ）の算出式については、平均指向性Ｇａｖｇ（θ）の代わりに、指向性を改善する目標となる目標指向性Ｇｔａｒｇｅｔ（θ）を任意に設定しても良い。また、指向性の分散を定量化し特性の優劣を比較することが可能であれば、上式に限定されずどのような算出式であっても良い。
【００１７】
ＳＴＥＰ３の評価値算出工程においては、ＳＴＥＰ２で算出した分散Ｖ（ｆ）の周波数に対する平均値を（３）式により算出し、これを評価値Ｓｃｏｒｅとする。Ｎは周波数分割数、ｆ１は評価開始周波数、ｆＮは評価終了周波数を示し、本実施例では、Ｎ＝５、ｆ１＝１０ＧＨｚ、ｆＮ＝ｆ５＝３０ＧＨｚとしている。
2008172641.tif 000010
尚、（４）式に示すように前記評価値は、前記分散Ｖ（ｆ）の平均値ではなく合計値として算出しても良い。
2008172641.tif 000011
ＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ３を順に実行することにより算出された前記評価値は、その値が小さいほど周波数に対する指向性のばらつきが小さいことを示すので、指向性のばらつきを定量化し最適化により改善するための評価値として適している。また、本実施例における評価関数では、アンテナの指向性だけでなく反射特性についての評価も行う。
ＳＴＥＰ４の反射特性算出工程においては、母集団の各個体が持つ遺伝子情報である形状パラメータに基づいて計算モデルを生成し、ＦＤＴＤ法を使用して反射特性Ｓ１１（ｆ）を算出する。ここで反射特性とは、反射損失の周波数に対する依存性であり、周波数ｆの関数で表現される。
ＳＴＥＰ５の反射特性性能値算出工程では、ＳＴＥＰ４で算出した反射特性Ｓ１１（ｆ）に基づいて反射特性性能値Ｐを算出する。反射特性性能値Ｐの算出式は、広帯域で反射損失が低減された良好な特性であるほど、反射特性性能値が小さくなるように定めた。
【００１８】
ＳＴＥＰ６の第二評価値算出工程では、ＳＴＥＰ３で算出した評価値ＳｃｏｒｅにＳＴＥＰ５で算出した反射特性性能値Ｐを加算する。評価値と反射特性性能値の加算においては、いずれか一方または両方に適当な係数ａ、ｂを掛けて加算を行っても良い。また係数ａ、ｂは、本アンテナ最適設計方法の最適化効率を向上し得るように適切に設定することが可能である。
Ｓｃｏｒｅ＝Ｓｃｏｒｅ×ａ＋Ｐ×ｂ              （５）
以上、指向性の評価に加えて反射特性から評価値を算出する評価関数の処理フローについて説明を行ったが、本発明の評価関数では、指向性の評価に加えてアンテナの重量、体積やその他の特性値を利用して評価値を算出することも可能である。
このように評価値算出工程において、複数の周波数で算出した各指向性の分散の平均値または合計値を評価値として算出することにより、評価値を利用して特性の優劣を比較し、最適化を行うことが可能となる。
【００１９】
図３（Ａ）は本実施例のアンテナ最適設計方法を用いて得られたアンテナの形状を示す図である。図３（Ｂ）に示すように、該アンテナの第１素子の側面形状は、以下のような関数形により表現できる形状である。
2008172641.tif 000012
ここで、ｘは第１素子の回転体軸方向の位置座標であり、ａ、ｂ、ｃは定数である。
また、第２素子の側面形状は、以下のような楕円を表す（７）式により表現することが可能である。
2008172641.tif 000013
ここで、ｘは第２素子の回転体軸方向の位置座標であり、ｍ、ｎは定数である。
また、第１素子および第２素子の境界の周囲に形成された誘電体部材の形状は、そろばん珠状の膨らみを有する形状である。
【００２０】
一方、図４は従来のバイコニカルアンテナの形状を示す図である。
図５は本発明により最適化されたアンテナ（図３）および従来のバイコニカルアンテナ（図４）の指向性の周波数依存性を示した図である。図５において縦軸は観測角度、横軸は周波数であり、色の濃淡は指向性利得の強度を示している。（Ａ）は従来のバイコニカルアンテナの指向性であり、（Ｂ）は本発明により最適化されたアンテナの指向性である。
従来のバイコニカルアンテナの場合には、２０ＧＨｚ以下の低周波側では９０°付近の利得が大きく主放射方向がほぼ９０°方向であるが、２０ＧＨｚ以上の高周波側では９０°付近の利得が減少し、放射方向が上下に分かれてしまっている。一方、最適化されたアンテナでは、非常に広い帯域において主放射方向が９０°付近であり、指向性の周波数依存性が改善されたことが確認できる。
【００２１】
また、図６は従来のバイコニカルアンテナおよび最適化されたアンテナの反射損失の周波数特性を示す図である。図６では最適化されたアンテナの特性を実線で示し、従来のバイコニカルアンテナの特性を破線で示してある。最適化されたアンテナでは、広い帯域で反射損失が低く抑えることができており、従来のバイコニカルアンテナと比較して特性が劣化していることはない。
このように、本実施例で説明したアンテナ最適設計方法を用いることで、従来の方法では困難であった反射特性と指向性の周波数依存性の両特性が優れたアンテナの設計が容易となる。また、最適化手法として遺伝的アルゴリズムを使用することで、形状パラメータ数が多い場合でも効率の良いアンテナ最適設計が可能となる。さらに、本実施例で説明したアンテナ最適設計方法により得られたアンテナは、広帯域で指向性および反射特性が優れているため、該アンテナを情報通信機器に備えることにより広帯域で良好な通信状態を実現できる。
【００２２】
本実施例では、最適化手法として遺伝的アルゴリズムを用いた場合について説明したが、本アンテナ最適設計方法では、遺伝的アルゴリズム以外に勾配法、最急降下法、ニュートン法、実験計画法、シミュレーテッド・アニーリングなど様々な最適化手法を使用することが可能であり、設計対象に応じて適切に定めることができる。
また、本実施例で説明したアンテナ最適設計方法は、当該方法をコンピュータに実行させるプログラムによって、パーソナルコンピュータやワークステーション等によって実現することができる。この場合、コンピュータに当該方法を実行させることのできるプログラムは、磁気ディスク（フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクなど）、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなど）、半導体メモリなどのコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して頒布することができる。
【００２３】
［実施例２］
図７（Ａ）は本実施例のアンテナ最適設計方法を用いて得られたアンテナの形状を示す図である。図７（Ｂ）に示すように、該アンテナの第１素子６０の側面形状は、以下のような関数形により表現できる形状である。
2008172641.tif 000014
ここで、ｘは第１素子６０の回転体軸方向の位置座標であり、ａ、ｂ、ｃは定数である。
また、第２素子６１の側面形状は、以下のような楕円を表す式により表現することが可能である。
2008172641.tif 000015
ここで、ｘは第２素子６１の回転体軸方向の位置座標であり、ｍ、ｎは定数である。
また、第１素子６０および第２素子６１の境界の周囲に形成された誘電体部材６５の形状は、そろばん珠状の膨らみを有する形状である。
【００２４】
図８は本発明により最適化されたアンテナ（図７）および従来のバイコニカルアンテナ（図４）の指向性の周波数依存性を示した図である。図８において縦軸は観測角度、横軸は周波数であり、色の濃淡は指向性利得の強度を示している。（Ａ）は従来のバイコニカルアンテナの指向性であり、（Ｂ）は本発明により最適化されたアンテナの指向性である。
従来のバイコニカルアンテナの場合には、２０ＧＨｚ以下の低周波側では９０°付近の利得が大きく主放射方向がほぼ９０°方向であるが、２０ＧＨｚ以上の高周波側では９０°付近の利得が減少し、放射方向が上下に分かれてしまっている。一方、最適化されたアンテナでは、非常に広い帯域において主放射方向が９０°付近であり、指向性の周波数依存性が改善されたことが確認できる。
【００２５】
また、図９は従来のバイコニカルアンテナおよび最適化されたアンテナの反射損失の周波数特性を示す図である。図９では最適化されたアンテナの特性を実線で示し、従来のバイコニカルアンテナの特性を破線で示してある。最適化されたアンテナでは、広い帯域で反射損失が低く抑えることができており、従来のバイコニカルアンテナと比較して特性が劣化していることはない。
このように、本実施例で説明したアンテナ最適設計方法を用いることで、従来の方法では困難であった反射特性と指向性の周波数依存性の両特性が優れたアンテナの設計が容易となる。また、最適化手法として遺伝的アルゴリズムを使用することで、形状パラメータ数が多い場合でも効率の良いアンテナ最適設計が可能となる。さらに、本実施例で説明したアンテナ最適設計方法により得られたアンテナは、広帯域で指向性および反射特性が優れているため、該アンテナを情報通信機器に備えることにより広帯域で良好な通信状態を実現できる。
【００２６】
本実施例では、最適化手法として遺伝的アルゴリズムを用いた場合について説明したが、本アンテナ最適設計方法では、遺伝的アルゴリズム以外に勾配法、最急降下法、ニュートン法、実験計画法、シミュレーテッド・アニーリングなど様々な最適化手法を使用することが可能であり、設計対象に応じて適切に定めることができる。
また、本実施例で説明したアンテナ最適設計方法は、当該方法をコンピュータに実行させるプログラムによって、パーソナルコンピュータやワークステーション等によって実現することができる。この場合、コンピュータに当該方法を実行させることのできるプログラムは、磁気ディスク（フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクなど）、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなど）、半導体メモリなどのコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して頒布することができる。
【００２７】
［実施例３］
図１０は、実施例２で説明したアンテナの第１素子６０、第２素子６１、誘電体部材６５の表面形状を滑らかにしたアンテナの形状を示す図である。図１０に示すアンテナのように、最適化されたアンテナの表面形状の角を丸くして滑らかにした場合であっても、同等の特性改善効果を得ることが可能であり、反射特性と指向性の周波数依存性の両特性が優れたアンテナを得ることができる。
また、本実施例で説明したアンテナは、広帯域で指向性および反射特性が優れているため、該アンテナを情報通信機器に備えることにより広帯域で良好な通信状態を実現できる。
【００２８】
［実施例４］
図１１は、上記実施例１〜２で説明したような本発明のアンテナ７０を備える情報機器７１の一例を示す図である。図１１の情報機器７１は、持ち運び可能なノート型パーソナルコンピュータ（ＰＣ）であり、本発明のアンテナ７０を有する無線装置７２が情報機器７１のいずれかの場所に設けられたスロット７３に挿入されている。また、情報機器７１は、例えば、デスクトップ型ＰＣ並びにパーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）及び携帯電話など移動体通信機器といった情報機器であっても良く、無線装置７２及びアンテナ７０は、情報機器７１に組み込まれても良い。情報機器７１は、無線装置７２により無線でインターネット及びイントラネットなどのネットワークへ接続され、同様にネットワークへ接続された他の機器との間で情報の送受信を行うことができる。あるいは、情報機器７１は、ネットワークを介さずに直接的に他の機器と情報の送受信をおこなっても良い。他の機器との間で送受信される情報は、無線装置７２に設けられたアンテナ７０により電磁波信号の形で送受信される。
本発明のアンテナは、反射特性および指向性の周波数依存性が広帯域で優れているので、広帯域無線通信システムで使用可能であり、更に、非常に広い帯域での周波数ホッピングが要求されるようなシステムにおいて、使用されるそれぞれの周波数での通信品質を維持することができる点で有利である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１実施例に係るアンテナ最適設計方法の初期モデルを示す図。
【図２】第１実施例に係るアンテナ最適設計方法の評価関数の処理フロー図。
【図３】第１実施例に係るアンテナの構成図。
【図４】従来のバイコニカルアンテナの断面図。
【図５】第１実施例に係るアンテナ最適設計方法により得られたアンテナの指向性を示した図。
【図６】第１実施例に係るアンテナ最適設計方法により得られたアンテナの反射特性を示した図。
【図７】第２実施例に係るアンテナの構成図。
【図８】第２実施例に係るアンテナ最適設計方法により得られたアンテナの指向性を示した図。
【図９】第２実施例に係るアンテナ最適設計方法により得られたアンテナの反射特性を示した図。
【図１０】第３実施例に係るアンテナの構成図。
【図１１】第４実施例に係る情報通信機器を示した図。
【図１２】従来のバイコニカルアンテナの概略図。
【図１３】従来のディスコーンアンテナの概略図。
【図１４】従来のアンテナの構成図。
【図１５】従来のアンテナの構成図。
【図１６】従来のアンテナの構成図。
【符号の説明】
【００３０】
１１…反射特性、１２…涙滴形素子、１２Ａ…逆円錐形、１２Ｂ…球面、４０、６０…第１素子、４１、６１…第２素子、４２…同軸線路、４３…信号線、４５、６５…誘電体部材、７０…アンテナ、７１…情報機器、７２…無線装置、７３…スロット、θ…観測角度、ｆ…周波数、Ｇ（θ、ｆ）…指向性（観測角度θ、周波数ｆにおける利得）、Ｇａｖｇ（θ）…平均指向性、Ｖ（ｆ）…Ｇ（θ、ｆ）のＧａｖｇ（θ）からの分散、Ｎ…周波数分割数、ｆ１…評価開始周波数、ｆＮ…評価終了周波数、Ｍ…観測角度分割数、θ１…評価開始角度、θＭ…評価終了角度、Ｐ…反射特性性能値、Ｓｃｏｒｅ…評価値
【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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