(57)【要約】      （修正有）【課題】従来の手動アプローチと完全に自動化されたコンピュータ設計プロセスとの中間に位置づけられるアンテナ設計システムの提供。【解決手段】アンテナ設計方法に対して、アンテナ仕様１１１のアンテナ設計パラメータが入力１１０される。設計仕様を解析１２０して自由変数と制約条件が生成１２１される。自由変数と制約条件１２１からアンテナ設計内容の集合の無作為サンプルが性能ベクトル１３１の形式で生成１３０される。それから、アンテナ設計内容として視覚化したベクトルである性能ベクトルは設計空間１４１内に分散２００され、特定のアンテナ設計内容が有用なアンテナ設計内容として選択１５０される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナの設計方法であって、
アンテナ設計パラメータを入力してアンテナ仕様を生成することと、
前記設計仕様を解析して自由変数と制約条件を生成することと、
前記自由変数と前記制約条件からアンテナ設計内容の集合の無作為サンプリングを性能ベクトルの形式で生成することと、
前記性能ベクトルを設計空間内に分散させることと、
前記性能ベクトルをアンテナ設計内容として前記設計空間内で視覚化することと、
特定のアンテナ設計内容を有用なアンテナ設計内容として選択することと
を含む方法。
【請求項２】
前記生成することと、前記分散させることと、前記視覚化することと、前記選択することとを反復して、有用なアンテナ設計内容の集合を特定すること
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記設計仕様は、アンテナジオメトリと物理パラメータの入力内容を含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記設計仕様は、前記自由変数の最小値と最大値を含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記設計仕様は、編集可能なＸＭＬファイルの形式である請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記各性能ベクトルは、アンテナ利得、前後電界比、フロント対サイドローブ比、コスト、電力半値幅、および所与の入力インピーダンスに対する電圧定在波比を表す実数を含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記性能ベクトル間の差の計量が最大になるようにすることで、その性能ベクトルのダイバーシチを増加させる請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記差の計量はユークリッド距離である請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記性能計量はシミュレータにより決定される請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記分散化は並列化される求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記視覚化することにより各アンテナ設計内容について描画した利得のサムネイル画像が表示される請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
同様の性能ベクトルを用いてアンテナ設計内容をまとめること
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記視覚化することには複数のスライダが含まれ、各スライダは前記選択されたアンテナ設計内容の前記性能ベクトルの１つの次元に対応する請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記性能ベクトルの許容領域を画定すること
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記選択された性能ベクトルに重み付けすること
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記選択された性能ベクトルを非線形関数により曲げること
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
アンテナの設計用のシステムであって、
アンテナの仕様のファイルと、
前記設計仕様を解析して自由変数と制約条件を生成するように構成されたパーザーと、
前記自由変数と前記制約条件からアンテナ設計内容の集合の無作為サンプリングを性能ベクトルの形式で生成する手段と、
前記性能ベクトルを設計空間内に分散させる手段と、
前記性能ベクトルをアンテナ設計内容として前記設計空間内で視覚化するための出力装置と、
特定のアンテナ設計内容を有用なアンテナ設計内容として選択するための入力装置と
を備えるシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［発明の属する技術分野］
本発明は、アンテナの設計に関し、特に、コンピュータにより生成された設計内容のサンプリングと視覚化によるアンテナの設計に関する。
【０００２】
［従来の技術］
設計作業のためのコンピュータベースの最適化は、アンテナの設計など多くの課題に対して適用されてきた。しかしながら、コンピュータ化された設計は、必ずしもうまく行くとは限らない。最適化の問題は、手に負えないことが多く、最適化プロセスで関連する設計基準をすべて考慮するのが不可能なことが多い。さらに、単一の数学目的関数内ですべての関連する設計問題とトレードオフを勘案することも困難なことが多い。そのため、アンテナの設計者は、アンテナの設計内容を手動で指定して改善し、コンピュータは設計内容の候補をコンピュータシミュレーションにより評価するためにだけ使用するのが普通である。それから、設計者は、経験と判断により、最も有用なアンテナの設計内容を見出し改善する。
【０００３】
［発明の概要］
本発明は、従来の手動アプローチと完全に自動化されたコンピュータ設計プロセスとの中間に位置づけられる、アンテナを設計する方法とシステムとを提供する。本発明の方法は、アンテナ設計内容の考え得るサンプルの集合を生成し、それから、コンピュータ化された設計プロセスにより生成された設計空間の視覚化を用いて、人間の判断により、有用な設計内容を選択する。
【０００４】
システムの主要な要素は、考え得るアンテナ設計内容の空間をインテリジェントにサンプリングする並列化された方法と、設計内容の候補を視覚化して検討し、サンプリングプロセスを管理するためのグラフィカルユーザーインターフェイスとである。
【０００５】
より具体的には、本発明は、アンテナの設計方法を提供する。この方法では、まず、アンテナの仕様でのアンテナの設計パラメータが入力される。設計仕様を解析して自由変数と制約条件が生成される。
【０００６】
自由変数と制約条件からアンテナ設計内容の集合の無作為サンプリングが性能ベクトルの形式で生成される。それから、アンテナ設計内容として視覚化したベクトルである性能ベクトルは設計空間内に分散され、特定のアンテナ設計内容が有用なアンテナ設計内容として選択される。
【０００７】
［発明の実施の形態］
図１は、アンテナを半自動で設計する本発明のシステムと方法１００を示している。システム１００のユーザーは、アンテナ仕様１１１の初期集合（Ｓ）を入力する（１１０）。アンテナ仕様１１１は、アンテナのジオメトリとその他の物理パラメータの入力内容を記述している。さらに、ユーザーは、アンテナ仕様１１１内のどの変数が設計プロセス中に自由に変更可能か、および、これらの変数の最小値と最大値を指定する。この情報は、手動で編集可能なＸＭＬファイル内で指定可能であるが、その他の編集可能なファイル形式も使用することができる。
【０００８】
ＸＭＬアンテナ仕様１１１は、解析されて（１２０）、自由変数と制約条件１２１が生成される。それから、自由変数と制約条件が使用されて、自由変数をそれらの変数の有効な範囲で一様にサンプリングすることで、アンテナ設計内容の初期無作為集合が生成される（１３０）。設計内容は、性能ベクトル１３１の形式で表現される。しかし、自由変数の一様なサンプリングによりアンテナ設計内容の代表的なサンプリングが得られることはまれである。
【０００９】
アンテナ設計内容の代表的なサンプルを生成するには、以下でより詳細に説明する分散化２００と呼ぶインテリジェントなサンプリングプロセスが必要である。分散化プロセス２００の主要な要件は、アンテナ設計内容の間の差を定量化する機能である。この差の計量は、アンテナの性能特性に基づいている。そのため、生成されたアンテナ設計内容の性能特性を性能ベクトル１３１として符号化する。
【００１０】
各性能ベクトルは、アンテナ利得、前後電界比、フロント対サイドローブ比、コスト（全線長）、電力半値幅、および所与の入力インピーダンスに対する電圧定在波比（ＶＳＷＲ）などの設計要素を表すｍ個の実数を含む。本システムでは、性能ベクトル１３１は、よく知られているＮＥＣ−２シミュレータなどのアンテナシミュレータ１４０を使用してアンテナ仕様から決定されるが、原理的には任意のシミュレータが使用可能である。２つのアンテナ間の差をそれらの２つの正規化されたｍ次元性能ベクトル１３１間のユークリッド距離と定義する。その他の差の計量も使用可能であることを理解するべきである。
【００１１】
重みと曲げ
ユークリッド距離の計算前に選択された性能ベクトルに重みを割り当てることができる。重みは、選択された設計要素について、２つのアンテナ設計内容間の距離を増加するのに使用される。たとえば、アンテナ設計内容の対でユークリッド距離を求めるときに、「コスト」ベクトルの重みを増加すると、その２つのアンテナの設計内容間でコストについての差の影響を増大させることができる。これにより、ユーザーは、より重要と考えられる性能ベクトルについて、ダイバーシチ（ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ：多様性）をより大きくすることができる。
【００１２】
さらに、性能ベクトルは「曲げる」ことが可能である。ユークリッド距離を求める前に非線形関数を性能ベクトルに適用することで、特定の範囲の値の距離を長くすることができる。たとえば、ｆ（ｘ）＝２ｘのような指数関数をコスト性能ベクトルに適用する。すると、６から７へのコストの差は、２から３へのコストの差よりもはるかに大きくなる。
【００１３】
分散化
分散化プロセス２００の目的は、ｍ次元設計空間１４１内で、その集合に含まれる性能ベクトルができるだけ広く分散するようなアンテナ設計内容のサンプルの集合を生成することである。分散化プロセス２００は、有用なアンテナ設計内容が見出されるまで複数回実施することが可能であることに留意するべきである。
【００１４】
図２は、これを実現するためのプロセス２００を示している。分散化プロセスへの入力は、アンテナ仕様１１１の集合Ｓ、それらのアンテナ仕様に対応する性能ベクトルＶ１３１、および性能ベクトルの空間の許容領域Ｒ１３２である。プロセスの出力には、修正された集合ＳとＶが含まれる。
【００１５】
反復ごとに、前回生成されたサンプルの自由変数を変動させて新しいアンテナ設計内容が生成される。この新規の設計内容の候補に対する性能ベクトル（Ｖ）１３１はアンテナシミュレータによって求められる。新規の性能ベクトルが、設計空間１４１内の他のいかなるサンプルよりもダイバーシチに大きく貢献している場合、新規の性能ベクトルで設計空間内のそのサンプルを置き換える。言い換えれば、性能ベクトル間の差の計量が最大化されるとダイバーシチが増大する。
【００１６】
分散化プロセス２００では、アンテナシミュレータ１４０を多数回呼び出すことが必要であり得、また、ある程度のシステム応答性が必要な対話システムに埋め込まれている。そのため、シミュレータ呼び出しを１００以上のコンピュータのクラスタに分配することで、分散化プロセス２００を並列化する。このようにして得られる並列プロセスは、図２で説明した直列版をわずかに変形したものである。
【００１７】
分散化プロセス２００を最初に実施すると、さまざまな設計内容が通常生成される。ステップ１５０により、ユーザー１０１は設計空間内のサンプルを検討して最も有用な設計内容１５１を突き止め特定することができる。
【００１８】
視覚化された設計空間
この検討プロセスは、図３に示すグラフィカルユーザーインターフェイス３００により容易になる。中央パネル３０１には、設計空間内の各アンテナの利得を描画したサムネイル画像３１０が表示されている。描画の色は、値、たとえば、何らかの重要なスカラ値、この場合はＶＳＷＲの性能尺度の低、中、高の値を示している。サムネイルは、同様な性能ベクトルを持つアンテナが互いに近接してまとまるように位置が設定されている。
【００１９】
言い換えれば、表示内での距離は、差の計量により示されるｍ次元設計空間１４１内での距離と相関がある。Ｍａｒｋｓ等著「Ｄｅｓｉｇｎ  Ｇａｌｌｅｒｉｅｓ：  Ａ  Ｇｅｎｅｒａｌ  Ａｐｐｒｏａｃｈ  ｔｏ  Ｓｅｔｔｉｎｇ  Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｇｒａｐｈｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｎｉｍａｔｉｏｎ，」ｉｎ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＡＣＭ  ＳＩＧＧＲＡＰＨ  ９７，  ｐｐ．  ３８９−４００，  Ｌｏｓ  Ａｎｇｅｌｅｓ，  ＣＡ，  Ａｕｇ．，  １９９７と、１９９９年４月１３日にＦｒｅｅｍａｎ他に対して発行され、本明細書に参照により援用される米国特許第５，８９４，３０９号、「Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ｍｏｄｉｆｙｉｎｇ  ｌｉｇｈｔｉｎｇ  ｉｎ  ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓ」とに記述されているように、多次元スケーリングと呼ばれる技法を使用して決定されるこの視覚化により、ユーザーは設計空間内のダイバーシチを視覚化することが可能である。
【００２０】
サムネイル画像は、パニングやズーミングすることで閲覧できる。ユーザーは、アンテナを周囲の「ギャラリー」３０２〜３０３に移動することで、それらのアンテナに「ブックマーク」を付けたり、「興味のある」アンテナを保存できる。保存されたアンテナを選択すると、対応するサムネイルが強調表示され、選択を解除すると強調表示が解除される。図３で保存されたアンテナとそのサムネイルを接続している線は、実際のインターフェイスでは表示されないが、ここでは説明のために示している。
【００２１】
視覚化された性能計量
保存されたアンテナは、それを選択することでアンテナの設計内容の詳細が検討可能な追加の表示が行われ、さらに吟味することが可能である。同様なアンテナをまとめる視覚化の提示の他に、図４に示したように、ユーザーは、システムを使用してアンテナの性能計量間のトレードオフを検討する機会も与えられる。
【００２２】
図４の各スライダ４０１は、選択された設計内容の性能ベクトルの１つの次元に対応する。現在の設計空間内の各アンテナは、次元ごとに垂直の線４０２で表示される。これは、分散化プロセス２００を実行したためである。ユーザーは、スライダを使用して次元内のサブレンジを選択して、視覚的に表現されたクエリを作成することができる。クエリの結果の選択内容は、サムネイル表示内の強調表示によって即座に反映される。さらに、選択内容は、選択されていないアンテナの垂直の値の線を淡色表示することで次元の行にも表示される。この表示により、ユーザーはさまざまな性能尺度間の関係を理解し、したがって設計内容のトレードオフの理解を深めることができる。たとえば、高利得アンテナを選択すると、コスト（全線長）、ならびに設計インピーダンスとして１００Ωが入力されたときにそれらのアンテナで達成される低ＶＳＷＲに関して、アンテナの設計内容が予測されるいくつかのまとまりとして表示される。
【００２３】
反復
アンテナの設計内容の検索には、以上のプロセスを何度も繰り返すことが必要な場合もある。たとえば、「良い」設計内容とは、ユーザーが選択した何らかのベクトルの方向に基づいて、他のどの性能ベクトルよりも厳密には悪くはない設計内容である。これらの反復中に、いくつかの設計内容を破棄したり、視覚化時に選択された設計内容にマークを付けて、分散量を増大させるためにそれ以降の反復時には検討しないようにすることもできる。
【００２４】
性能のトレードオフの検討後、ユーザーは別の視覚的に表現されたクエリを行って、次回のサンプリングで分散化プロセスが適用される開始サンプルを決定する。さらに、図１と２に示すように、このクエリは、許容される性能ベクトルの領域Ｒ１３２も表す。領域Ｒの外側となる設計内容の候補はすべて拒否される。そのため、次回のサンプルは、ユーザーの興味のある設計空間内の領域に集中するため、設計空間が有用なアンテナを含む確率が上昇する。最終的に、設計空間が十分に絞り込まれると、ユーザーは標準的な最適化アルゴリズムを起動して、局所的に最適な設計内容に最も近いものを探すことで、サンプル内のアンテナのいくつかの設計内容を完成することができる。
【００２５】
本発明を好適な実施形態の例により説明したが、本発明の精神および範囲内でその他のさまざまな適用や修正を行うことができることを理解するべきである。したがって、本発明の真の精神や範囲内にあるそのような変形例や修正例をすべて網羅するのが併記の特許請求の範囲の目的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアンテナ設計のシステムおよび方法の流れ図である。
【図２】アンテナ設計内容を設計空間内に分散させるための、本発明の疑似コードのブロック図である。
【図３】本発明で使用されるアンテナ設計空間の対話的な視覚化を示す。
【図４】アンテナ設計内容の集合の性能計量の対話的な視覚化を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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