(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの円錐状素子を頂点で向い合せたアンテナを、アンテナ形状パラメータの設定と該アンテナ形状パラメータ下におけるアンテナの評価とを繰り返すことにより、コンピュータでより特性の良い形状に設計するアンテナ設計方法であって、
前記円錐状素子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、複数の周波数及び観測角度を用いて前記観測角度に対する利得の変化を算出する利得算出工程と、前記複数の周波数における各利得の分散を算出する分散算出工程と、前記分散算出工程にて算出した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、を順に実行する評価関数処理工程と、
前記アンテナ形状パラメータとは異なるアンテナ形状パラメータを再設定するパラメータ再設定工程と、を含み、
前記評価関数処理工程と前記パラメータ再設定工程とを繰り返し行って、前記評価値が小さくなるようなアンテナ形状パラメータを選択することによりアンテナ形状を設計することを特徴とするアンテナ設計方法。
【請求項２】
前記アンテナは、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素子とを備え、前記第１素子および前記第２素子の回転中心軸が相互に一致するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ設計方法。
【請求項３】
前記アンテナ形状パラメータは、前記第１素子および第２素子の少なくともいずれか一方の側面上に設定されることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ設計方法。
【請求項４】
前記分散算出工程は、各観測角度における前記アンテナの利得の平均値である平均利得を算出し、前記利得算出工程において複数の周波数で算出した各利得について、前記平均利得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乃至３の何れか一項に記載のアンテナ設計方法。
【請求項５】
前記分散算出工程は、予め利得を改善する目標となる目標利得を設定しておき、前記複数の周波数で算出した各利得について、前記目標利得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乃至３の何れか一項に記載のアンテナ設計方法。
【請求項６】
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５の何れか一項に記載のアンテナ設計方法。
【請求項７】
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６の何れか一項に記載のアンテナ設計方法。
【請求項８】
前記評価値算出工程は、前記複数の周波数で算出した各利得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７の何れか一項に記載のアンテナ設計方法。
【請求項９】
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８の何れか一項に記載のアンテナ設計方法。
【請求項１０】
前記パラメータ再設定工程において、前記アンテナ形状パラメータが遺伝的アルゴリズムの選択処理と変異処理に基づいて再設定されることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載のアンテナ設計方法。
【請求項１１】
設計するアンテナの初期モデルをバイコニカルアンテナとしたことを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載のアンテナ設計方法。
【請求項１２】
設計するアンテナの初期モデルをディスコーンアンテナとしたことを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載のアンテナ設計方法。
【請求項１３】
請求項１乃至１２の何れか一項に記載のアンテナ設計方法をコンピュータが制御可能にプログラミングしたことを特徴とするアンテナ設計プログラム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のアンテナ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。
【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最適設計方法に関し、さらに詳しくは、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最適設計方法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１８に示すバイコニカルアンテナや図１９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１８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１９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。
図２０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２１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２２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。
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】
【０００３】
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】
【０００４】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、２つの円錐状素子を頂点で向い合せたアンテナを、アンテナ形状パラメータの設定と該アンテナ形状パラメータ下におけるアンテナの評価とを繰り返すことにより、コンピュータでより特性の良い形状に設計するアンテナ設計方法であって、前記円錐状素子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、複数の周波数及び観測角度を用いて前記観測角度に対する利得の変化を算出する利得算出工程と、前記複数の周波数における各利得の分散を算出する分散算出工程と、前記分散算出工程にて算出した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、を順に実行する評価関数処理工程と、前記アンテナ形状パラメータとは異なるアンテナ形状パラメータを再設定するパラメータ再設定工程と、を含み、前記評価関数処理工程と前記パラメータ再設定工程とを繰り返し行って、前記評価値が小さくなるようなアンテナ形状パラメータを選択することによりアンテナ形状を設計することを特徴とする。
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、利得算出工程、分散算出工程、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。
請求項２は、前記アンテナは、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素子とを備え、前記第１素子および前記第２素子の回転中心軸が相互に一致するように構成されることを特徴とする。
本発明のアンテナは、２つの素子により構成され、第１素子を信号線に接続し、第２素子を接地する。そして各素子の回転中心が相互に一致するように構成する。
請求項３は、前記アンテナ形状パラメータは、前記第１素子および第２素子の少なくともいずれか一方の側面上に設定されることを特徴とする。
第１素子および第２素子の回転体の形状は中心軸に対して対称であるので、アンテナ形状パラメータは少なくともいずれか一方の側面上に設定すればよい。
請求項４は、前記分散算出工程は、各観測角度における前記アンテナの利得の平均値である平均利得を算出し、前記利得算出工程において複数の周波数で算出した各利得について、前記平均利得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、先ず観測角度に対する利得Ｇの変化を示す関数Ｇ（θ，ｆ）の平均、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、関数Ｇ（θ，ｆ）の平均値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。
0004759347.tif 000002
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。
【０００５】
請求項５は、前記分散算出工程は、予め利得を改善する目標となる目標利得を設定しておき、前記複数の周波数で算出した各利得について、前記目標利得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、平均値Ｇａｖｇ（θ）の代わりに、利得を改善する目標となる目標利得Ｇｔａｒｇｅｔ（θ）を任意に設定しても良い。また、利得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６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。
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。
0004759347.tif 000003
したがって、本発明における分散Ｖ（ｆ）は以下の式で表される。
0004759347.tif 000004
請求項７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。
観測角度θの評価範囲は、予め定めた観測角度θの評価範囲において分散を算出する。
請求項８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利得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。
0004759347.tif 000005
【０００６】
請求項９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。
請求項１０は、前記パラメータ再設定工程において、前記アンテナ形状パラメータが遺伝的アルゴリズムの選択処理と変異処理に基づいて再設定され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１１は、設計するアンテナの初期モデルをバイコニカルアンテナとしたことを特徴とする。
アンテナ形状は、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知られている。最適化されるアンテナの電波の主放射方向を略水平方向に向けたい場合には、初期モデルをバイコニカルアンテナとすることが有効である。
【０００７】
請求項１２は、設計するアンテナの初期モデルをディスコーンアンテナとしたことを特徴とする。
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を円板状にしたものと考えることもできる。
請求項１３は、請求項１乃至１２の何れか一項に記載のアンテナ設計方法をコンピュータが制御可能にプログラミングしたことを特徴とする。
請求項１４は、請求項１３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。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の発明によれば、２つの円錐状素子の少なくともいずれか一方の側面上に設定した座標を形状パラメータとし、利得算出工程、分散算出工程、評価値算出工程とを備えた評価関数を用いて評価値が向上するように形状パラメータを設定するので、周波数による利得の変化（ばらつき）を抑えたアンテナ設計が可能となる。
また請求項２では、アンテナは、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素子とを備え、第１素子および前記第２素子の回転中心軸が相互に一致するように構成されるので、バイコニカルアンテナを構成することができる。
また請求項３では、アンテナ形状パラメータは、第１素子および第２素子の少なくともいずれか一方の側面上に設定されるので、計算が容易となりなおかつ計算速度を高めることができる。
また請求項４では、分散算出工程において、複数の周波数で算出した各利得について、平均利得からの分散を算出するので、周波数による利得のばらつきを定量化することができる。
また請求項５では、分散算出工程において、複数の周波数で算出した各利得について、予め利得を改善する目標となる目標利得を設定しておき、目標利得からの分散を算出するので、周波数による利得のばらつきを定量化することができる。
【００１０】
また請求項６では、分散算出工程において、観測角度に応じて重み付けをして分散を算出するので、所望の観測角度において利得の周波数依存性を改善することが可能となる。
また請求項７では、分散算出工程において、分散を算出する観測角度範囲を限定するので、所望の観測角度において利得の周波数依存性を改善することが可能となる。
また請求項８では、評価値算出工程において、複数の周波数で算出した各利得の分散の平均値または合計値を評価値として算出するので、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できる。
また請求項９では、反射特性算出工程、反射特性性能値算出工程、第二評価値算出工程とを評価関数に組み込むので、利得だけでなく反射特性を改善し、両特性を同時に改善するアンテナ設計が可能となる。
また請求項１０では、形状パラメータの設定とアンテナの評価を繰り返し行う際に遺伝的アルゴリズムを使用することにより、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。
【００１１】
また請求項１１では、バイコニカルアンテナを初期モデルとして設定するので、最適化されるアンテナの主放射方向を略水平方向に向けることができる。
また請求項１２では、ディスコーンアンテナを初期モデルとして設定するので、最適化されるアンテナの主放射方向を斜め方向に向けることができる。
また請求項１３では、本発明のアンテナ最適設計方法をコンピュータが制御可能なＯＳに従ってプログラミングすることにより、そのＯＳを備えたコンピュータであれば同じ処理方法により制御することができる。
また請求項１４では、本発明のアンテナ最適設計方法を実行するプログラムを記録媒体に格納することにより、頒布することが可能となり、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行することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態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。
図１は本発明の第１の実施形態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。最適化されるアンテナの電波の主放射方向を略水平方向に向けたい場合には、初期モデルをバイコニカルアンテナとすることが有効である。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１０点の座標（ｘ１，ｚ１）、（ｘ２，ｚ２）、（ｘ３，ｚ３）、（ｘ４，ｚ４）、（ｘ５，ｚ５）、（ｘ６，ｚ６）、（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。
【００１３】
図２は第１の実施形態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、１５ＧＨｚ、２０ＧＨｚ、２５ＧＨｚ、３０ＧＨｚにおける指向性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。
0004759347.tif 000006
・・・・（１）式
【００１４】
本実施形態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。
0004759347.tif 000007
したがって、本実施形態における分散Ｖ（ｆ）は（２）式で表される。
0004759347.tif 000008
・・・・（２）式
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。
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、本実施形態では、Ｎ＝５、ｆ１＝１０ＧＨｚ、ｆＮ＝ｆ５＝３０ＧＨｚとしている。
0004759347.tif 000009
・・・・（３）式
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。
0004759347.tif 000010
・・・・（４）式
【００１５】
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、本実施形態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。
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）式
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。
【００１６】
図３（Ａ）は本実施形態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で記述される。
0004759347.tif 000011
・・・・（６）式
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）式で記述される。
0004759347.tif 000012
・・・・（７）式
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。
図４に従来のバイコニカルアンテナおよび本発明により最適化されたアンテナの周波数１０、１５、２０、２５、３０ＧＨｚにおける指向性を示す図である。（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。最適化されたアンテナは、バイコニカルアンテナと比較すると、角度評価範囲５０〜１３０°において、周波数に対する指向性のばらつきが抑制されており、指向性の周波数依存性が改善されたことが確認できる。
【００１７】
また、図５に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。実線で示される最適化されたアンテナは、破線で示されるバイコニカルアンテナと比較すると、広帯域にわたって反射損失が低減されており、３ＧＨｚ以上でリターンロスが−１０ｄＢ以下と良好な広帯域特性を示すのが解る。
このように、本実施形態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方を同時に改善するアンテナ設計が容易となる。また、本実施形態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。
本実施形態では、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、本発明のアンテナ最適設計方法により得られたアンテナの形状は、テーパーの形状がａ／（１＋ｅｘｐ（ｂｘ＋ｃ））で表され、接地された第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、側面が楕円の式ｎ（１−（ｘ／ｍ）2）1/2で表される回転体形状である数式に完全に一致していなくとも、数式で表現される形状に近い形状であれば同等の効果を得ることができる。
また、本実施形態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記録媒体に格納して頒布することができる。
【００１８】
図６は本発明の第２の実施形態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。このアンテナは、同軸線路５３の信号線５２に接続された回転体状の第１素子（放射素子）５０と円板状の第２素子（地板）５１とで構成され、ディスコーンアンテナに類する。最適化されるアンテナの電波の主放射方向を斜め方向に向けたい場合には、初期モデルをディスコーンアンテナとすることが有効である。
図６において、第１素子５０の側面上に設定した３点の座標（ｘ１，ｚ１）、（ｘ２，ｚ２）、（ｘ３，ｚ３）をアンテナ形状パラメータとした。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。
【００１９】
図７は本発明の第２の実施形態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。本実施形態のアンテナ最適設計方法においては、評価値は指向性の周波数依存性のみから決定し、反射特性の評価は行わない。
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、１５ＧＨｚ、２０ＧＨｚ、２５ＧＨｚ、３０ＧＨｚにおける指向性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、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以下の式により算出する。Ｍは観測角度分割数、θ１は評価開始角度、θＭは評価終了角度を示す。
0004759347.tif 000013
・・・・（８）式
観測角度θの評価範囲は、θ＝２０〜９０°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＝７１である。
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、本実施形態では、Ｎ＝５、ｆ１＝１０ＧＨｚ、ｆＮ＝ｆ５＝３０ＧＨｚである。
0004759347.tif 000014
・・・・（９）式
ＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ３を順に実行することにより算出された評価値は、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。
【００２０】
図８に第２の実施形態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９に従来のバイコニカルアンテナおよび本発明により最適化されたアンテナの周波数１０、１５、２０、２５、３０ＧＨｚにおける指向性を示す図である。（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。最適化されたアンテナは、バイコニカルアンテナと比較すると、角度評価範囲２０〜９０°において、周波数に対する指向性のばらつきが抑制されており、指向性の周波数依存性が改善されたことが確認できる。
このように、本実施形態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指向性の周波数依存性を改善するアンテナ設計が容易となる。また、本実施形態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。
本実施形態では、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、本実施形態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記録媒体に格納して頒布することができる。
【００２１】
図１０は本発明の第３の実施形態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知られている。このアンテナは、同軸線路６２によって下方から給電され、同軸線路６２の信号線６３に第１素子６０が接続され、同軸線路６２の外導体（接地導体）６４に第２素子６１が接続されている。
図１０において、第１素子６０および第２素子６１の側面上に設定した１２点の座標（ｘ１，ｚ１）、（ｘ２，ｚ２）、（ｘ３，ｚ３）、（ｘ４，ｚ４）、（ｘ５，ｚ５）、（ｘ６，ｚ６）、（ｘ７，ｚ７）、（ｘ８，ｚ８）、（ｘ９，ｚ９）、（ｘ１０，ｚ１０）、（ｘ１１，ｚ１１）、（ｘ１２，ｚ１２）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。
本実施形態において、前記評価処理を実行するための評価関数の処理工程は、図２に示す第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。
図１１は本実施形態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。このアンテナの形状は、第１の実施形態で最適化されたアンテナの形状によく似ており、第１の実施形態の場合と同様の数式で表現される。
図１２に従来のバイコニカルアンテナおよび本発明により最適化されたアンテナの周波数１０、１５、２０、２５、３０ＧＨｚにおける指向性を示す図である。（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。最適化されたアンテナは、バイコニカルアンテナと比較すると、角度評価範囲５０〜１３０°において、周波数に対する指向性のばらつきが抑制されており、指向性の周波数依存性が改善されたことが確認できる。
【００２２】
また、図１３に従来のバイコニカルアンテナおよび本発明により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。実線により示す本発明で最適化されたアンテナは、破線で示す従来のバイコニカルアンテナと比較すると広帯域にわたって反射損失が低減されており、３ＧＨｚ以上でリターンロスが−１０ｄＢ以下と良好な広帯域特性を示す。
このように、本実施形態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方を同時に改善するアンテナ設計が容易となる。また、本実施形態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。
本実施形態では、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、本実施形態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記録媒体に格納して頒布することができる。
【００２３】
図１４は本発明の第４の実施形態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知られている。このアンテナは、同軸線路７３によって下方から給電され、同軸線路７３の信号線７２に第１素子７０が接続され、同軸線路７３の外導体（接地導体）７４に第２素子が接続されている。
図１４において、第１素子７０および第２素子７１の側面上に設定した１０点の座標（ｘ１，ｚ１）、（ｘ２，ｚ２）、（ｘ３，ｚ３）、（ｘ４，ｚ４）、（ｘ５，ｚ５）、（ｘ６，ｚ６）、（ｘ７，ｚ７）、（ｘ８，ｚ８）、（ｘ９，ｚ９）、（ｘ１０，ｚ１０）をアンテナ形状パラメータとした。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。
本実施形態において、前記評価処理を実行するための評価関数の処理フローは、図２に示す第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００２４】
図１５（Ａ）は本実施形態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１５（Ｂ）に示すように、このアンテナの第１素子７０の側面形状は、以下のような関数形で記述される。
0004759347.tif 000015
・・・・（１０）式
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式で記述される。
0004759347.tif 000016
・・・・（１１）式
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。
図１６に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周波数１０、１５、２０、２５、３０ＧＨｚにおける指向性を示す図である。（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。本発明により最適化されたアンテナは、バイコニカルアンテナと比較すると、角度評価範囲５０〜１３０°において、周波数に対する指向性のばらつきが抑制されており、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１７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。実線で示す本発明により最適化されたアンテナは、バイコニカルアンテナと比較すると広帯域にわたって反射損失が低減されている。
このように、本実施形態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方を同時に改善するアンテナ設計が容易となる。また、本実施形態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。
本実施形態では、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、本発明のアンテナ最適設計方法により得られたアンテナの形状は、第１の実施形態の場合と同様の数式に完全に一致していなくとも、この数式で表現される形状に近い形状であれば同等の効果を得ることができる。
また、本実施形態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記録媒体に格納して頒布することができる。
以上、実施形態に基づき本発明の説明を行ってきたが、上記実施形態に上げた方法、その他の要素との組み合わせなど、ここで示した要件に本発明が限定されるものでは決してない。これらの点に関しては、本発明の主旨を損なわない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施形態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】本発明の第１実施形態に係るアンテナ最適設計方法の評価関数の処理工程図。
【図３】本発明の第１実施形態に係るアンテナ最適設計方法により得られたアンテナ形状の図。
【図４】本発明の第１実施形態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す図。
【図５】本発明の第１実施形態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す図。
【図６】本発明の第２実施形態に係るアンテナ最適設計方法の初期モデルを示す図。
【図７】本発明の第２実施形態に係るアンテナ最適設計方法の評価関数の処理工程図。
【図８】本発明の第２実施形態に係るアンテナ最適設計方法により得られたアンテナ形状を示す図。
【図９】本発明の第２実施形態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す図。
【図１０】本発明の第３実施形態に係るアンテナ最適設計方法の初期モデルを示す図。
【図１１】本発明の第３実施形態に係るアンテナ最適設計方法により得られたアンテナ形状を示す図。
【図１２】本発明の第３実施形態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す図。
【図１３】本発明の第３実施形態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す図。
【図１４】本発明の第４実施形態に係るアンテナ最適設計方法の初期モデルを示す図。
【図１５】本発明の第４実施形態に係るアンテナ最適設計方法により得られたアンテナ形状を示す図。
【図１６】第４実施形態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す図。
【図１７】本発明の第４実施形態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す図。
【図１８】従来のバイコニカルアンテナの構成図。
【図１９】従来のディスコーンアンテナの構成図。
【図２０】特許文献１に開示されたアンテナの構成図。
【図２１】特許文献２に開示されたアンテナの構成図。
【図２２】特許文献３に開示されたアンテナの構成図。
【符号の説明】
【００２７】
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】
0004759347.tif 000017
【図２】
0004759347.tif 000018
【図３】
0004759347.tif 000019
【図４】
0004759347.tif 000020
【図５】
0004759347.tif 000021
【図６】
0004759347.tif 000022
【図７】
0004759347.tif 000023
【図８】
0004759347.tif 000024
【図９】
0004759347.tif 000025
【図１０】
0004759347.tif 000026
【図１１】
0004759347.tif 000027
【図１２】
0004759347.tif 000028
【図１３】
0004759347.tif 000029
【図１４】
0004759347.tif 000030
【図１５】
0004759347.tif 000031
【図１６】
0004759347.tif 000032
【図１７】
0004759347.tif 000033
【図１８】
0004759347.tif 000034
【図１９】
0004759347.tif 000035
【図２０】
0004759347.tif 000036
【図２１】
0004759347.tif 000037
【図２２】
0004759347.tif 000038