JP2004153854A - Array antenna control apparatus and control method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To calculate an optimum reactance value for an ESPAR antenna at high speed. <P>SOLUTION: In this array antenna which comprises a radiation element 6 to which a radio signal is supplied and at least one parasitic element 7 positioned at a predetermined distance d away from the radiation element 6 to which the radio signal is not supplied, a variable reactance element 23 is connected to the parasitic element 7 and the directional characteristic of the array antenna is varied by changing the reactance value x<SB>i</SB>of the variable reactance element 23. A controller 100 repeatedly calculates the reactance value of the variable reactance element 23 by using the dynamic equation of a higher order algorithm based on an azimuth angle representing the arrival direction of a desired input radio signal, whose calculation is carried out to minimize an evaluation function based on an array antenna gain which is a function of both the reactance value and the azimuth angle. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

本発明は、複数のアンテナ素子を備えたアレーアンテナの制御装置及び制御方法に関する。   The present invention relates to a control device and a control method for an array antenna having a plurality of antenna elements.

低コストでアナログ適応ビームフォーミングを目指すアンテナとして、1個の給電アンテナ素子と少なくとも1個の無給電リアクタンス素子とを備え、その無給電リアクタンス素子のリアクタンス値を電子的に変化させることによりアレーアンテナの指向特性を変化させる電子制御導波器アレーアンテナ(Electronically Steerable Passive Array Radiator antenna;以下、ESPARアンテナという。)が提案されている(例えば、非特許文献1参照。)。   As an antenna aiming for analog adaptive beamforming at low cost, it is provided with one feed antenna element and at least one parasitic reactance element, and by electronically changing the reactance value of the parasitic reactance element, an array antenna is formed. There has been proposed an electronically controlled steerable passive array radiator antenna (hereinafter referred to as an ESPAR antenna) that changes the directional characteristics (for example, see Non-Patent Document 1).

この従来例のESPARアンテナを用いたマイクロ波ビームフォーミングは、従来のデジタルビームフォーミング(DBF)に代わり、無線ユーザアンテナのアダプティブ化にまで発展できる可能性をもっている(例えば、非特許文献2参照。)。このESPARアンテナでは、無給電素子に装荷するリアクタンス値を制御することで、全方位角に対する連続的なビーム走査やヌル走査を実現することができる。   The microwave beam forming using the ESPAR antenna of the conventional example has a possibility that it can be developed into an adaptive wireless user antenna instead of the conventional digital beam forming (DBF) (for example, see Non-Patent Document 2). . In this ESPAR antenna, by controlling the reactance value loaded on the parasitic element, continuous beam scanning and null scanning with respect to all azimuth angles can be realized.

T. Ohira et al., "Electronically steerable passive array radiator antennas for low-cost analog adaptive beamforming", Proceeding of IEEE International Conference, Phased Array System Technology, 2000, MP-1-2, Dana Point, May 2000。T. Ohira et al., "Electronically steerable passive array radiator antennas for low-cost analog adaptive beamforming", Proceeding of IEEE International Conference, Phased Array System Technology, 2000, MP-1-2, Dana Point, May 2000. 大平孝ほか,”マイクロ波信号処理によるアダプティブビーム形成と電子制御導波器(ESPAR)アンテナの提案”,電子情報通信学会技術報告,AP99−61/SAT99−61,pp.9−14,1999年7月。Takashi Ohira et al., "Proposal of Adaptive Beam Forming by Microwave Signal Processing and Electronically Controlled Waveguide (ESPAR) Antenna", IEICE Technical Report, AP99-61 / SAT99-61, pp. 139-157. 9-14, July 1999. K. Gyoda et al., "Design of electronically steerable passive array radiator (ESPAR) antennas", 2000 IEEE AP-S International Symposium, 69P.7, Salt Lake City, July 2000。K. Gyoda et al., "Design of electronically steerable passive array radiator (ESPAR) antennas", 2000 IEEE AP-S International Symposium, 69P.7, Salt Lake City, July 2000. K. Shinjo et al., "Hamiltonian systems with many degrees of freedom: asymmetric motion and intensity of motion in phase space”, Physical Review E, Vol. 54, pp.4685-4700, November 1996。K. Shinjo et al., "Hamiltonian systems with many degrees of freedom: asymmetric motion and intensity of motion in phase space", Physical Review E, Vol. 54, pp.4685-4700, November 1996. K. Shinjo et al., "A strategy of designing routing algorithms based on ideal routings", International Journal of Modern Physics C, Vol. 10, No. 1, pp. 63-94, February 1999。K. Shinjo et al., "A strategy of designing routing algorithms based on ideal routings", International Journal of Modern Physics C, Vol. 10, No. 1, pp. 63-94, February 1999.

しかしながら、最適なリアクタンス値の組み合わせを計算の繰り返しによって求めるためには多大な時間を要する。その計算回数は、リアクタンス1個の値がとり得る範囲の大きさとリアクタンスの素子数によって定まり、すべての組み合わせを調べつくすとすると範囲の大きさの素子数乗に比例する。最適解探索をスピードアップする方法として、モンテカルロ法のようなランダムな手法は効果的ではあるが(例えば、非特許文献3参照。)、最適なリアクタンス値を得るためには、やはり多大な時間を必要とするという問題点があり、さまざまな素子数のESPARアンテナについて調査するためにはさらに速い方法が望まれる。   However, it takes a lot of time to find the optimum combination of reactance values by repeating the calculation. The number of calculations is determined by the size of the range that can take one reactance value and the number of reactance elements, and if all combinations are examined, it is proportional to the size of the range raised to the power of the number of elements. As a method for speeding up the search for an optimal solution, a random method such as the Monte Carlo method is effective (for example, see Non-Patent Document 3). However, a large amount of time is still required to obtain an optimal reactance value. However, there is a problem in that a faster method is desired for investigating ESPAR antennas having various numbers of elements.

本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して高速で、ESPARアンテナの最適なリアクタンス値を演算することができるアレーアンテナの制御装置及び制御方法を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above problems and to provide an array antenna control device and a control method capable of calculating an optimum reactance value of an ESPAR antenna at a higher speed than in the related art.

本発明に係るアレーアンテナの制御装置は、無線信号が給電される放射素子と、この放射素子から所定の間隔だけ離れて設けられ、無線信号が給電されない少なくとも1個の非励振素子と、この非励振素子に接続された可変リアクタンス素子とから成るアレーアンテナを具備し、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の制御装置であって、
所望の無線入力信号の到来する方向を示す方位角に基づいて、所定の高次元アルゴリズムの運動方程式を用いて、上記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を、上記方位角との関数でありアレーアンテナの利得に基づく評価関数が最小となるように繰り返し演算する演算手段を備えたことを特徴とする。
An array antenna control device according to the present invention includes a radiating element to which a radio signal is fed, at least one non-exciting element that is provided at a predetermined distance from the radiating element and is not supplied with a radio signal, An array antenna control device, comprising: an array antenna including a variable reactance element connected to an excitation element, and changing a reactance value of the variable reactance element to change a directional characteristic of the array antenna.
Based on the azimuth indicating the direction in which the desired wireless input signal arrives, the reactance value of the variable reactance element is calculated by using a predetermined high-dimensional algorithm of motion as a function of the azimuth and the gain of the array antenna. And a calculating means for repeatedly calculating so as to minimize the evaluation function based on.

また、上記アレーアンテナの制御装置は、好ましくは、上記演算手段によって演算された上記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を上記可変リアクタンス素子に設定するように制御する制御手段をさらに備えたことを特徴とする。   Preferably, the control device for the array antenna further includes control means for controlling the reactance value of the variable reactance element calculated by the calculation means to be set in the variable reactance element. .

さらに、上記アレーアンテナの制御装置において、好ましくは、上記可変リアクタンス素子は可変容量ダイオードであり、上記可変容量ダイオードに印加する逆バイアス電圧を変化させることにより上記可変容量ダイオードの静電容量を変化させて上記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。   Further, in the array antenna control device, preferably, the variable reactance element is a variable capacitance diode, and the capacitance of the variable capacitance diode is changed by changing a reverse bias voltage applied to the variable capacitance diode. And changing the directional characteristics of the array antenna.

またさらに、上記アレーアンテナの制御装置において、好ましくは、上記非励振素子を複数個備え、上記複数個の非励振素子は、上記放射素子を中心とする円形状の位置に配置されたことを特徴とする。   Still further, in the array antenna control device, preferably, a plurality of the non-exciting elements are provided, and the plurality of non-exciting elements are arranged at a circular position centered on the radiating element. And

本発明に係るアレーアンテナの制御方法は、無線信号が給電される放射素子と、この放射素子から所定の間隔だけ離れて設けられ、無線信号が給電されない少なくとも1個の非励振素子と、この非励振素子に接続された可変リアクタンス素子とから成るアレーアンテナを具備し、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の制御方法であって、
所望の無線入力信号の到来する方向を示す方位角に基づいて、所定の高次元アルゴリズムの運動方程式を用いて、上記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を、上記方位角との関数でありアレーアンテナの利得に基づく評価関数が最小となるように繰り返し演算するステップを含むことを特徴とする。
An array antenna control method according to the present invention includes a radiating element to which a radio signal is supplied, at least one non-exciting element provided at a predetermined distance from the radiating element and not supplied with a radio signal, An array antenna comprising a variable reactance element connected to an excitation element, and a method for controlling an array antenna that changes a directional characteristic of the array antenna by changing a reactance value of the variable reactance element,
Based on the azimuth indicating the direction in which the desired wireless input signal arrives, the reactance value of the variable reactance element is calculated by using a predetermined high-dimensional algorithm of motion as a function of the azimuth and the gain of the array antenna. Characterized by including a step of repeatedly performing an operation so as to minimize the evaluation function based on.

また、上記アレーアンテナの制御方法は、好ましくは、上記演算された上記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を、上記可変リアクタンス素子に設定するように制御するステップをさらに含むことを特徴とする。   Preferably, the method of controlling the array antenna further includes a step of controlling the calculated reactance value of the variable reactance element to be set in the variable reactance element.

以上詳述したように本発明によれば、従来例のESPARアンテナにおいて、所望の無線入力信号の到来する方向を示す方位角に基づいて、所定の高次元アルゴリズムの運動方程式を用いて、可変リアクタンス素子のリアクタンス値を、上記方位角との関数でありアレーアンテナの利得に基づく評価関数が最小となるように繰り返し演算するように構成したので、従来技術のモンテカルロ法に比較して少ない演算回数で、きわめて高速でかつ簡単に最適なリアクタンス値を演算することができる。   As described above in detail, according to the present invention, in the conventional ESPAR antenna, based on the azimuth indicating the direction in which the desired wireless input signal arrives, the variable reactance is calculated by using a predetermined high-dimensional algorithm of motion. The reactance value of the element is a function of the azimuth angle and is repeatedly calculated so that the evaluation function based on the gain of the array antenna is minimized, so that the number of calculations is smaller than the conventional Monte Carlo method. Therefore, the optimum reactance value can be calculated very quickly and easily.

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。この実施形態では、まず、制御装置で用いるアレーアンテナの構成を説明した後、制御装置の構成について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, first, the configuration of the array antenna used in the control device will be described, and then the configuration of the control device will be described.

<第1の実施形態>
図1は本発明に係る第1の実施形態であるアレーアンテナの構成を示す斜視図であり、図2は図1の給電アンテナ素子A0の構成を示す模式図であり、図3は図1の無給電可変リアクタンス素子A1乃至A4の構成を示す模式図である。
<First embodiment>
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an array antenna according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration of a feeding antenna element A0 of FIG. 1, and FIG. It is a schematic diagram which shows the structure of the parasitic variable reactance elements A1 to A4.

本実施形態においては、図1に示すように、それぞれモノポール素子である、給電アンテナ素子A0と、4本の無給電可変リアクタンス素子A1乃至A4とがそれぞれ、素子A0の長さL0と各素子A1乃至A4の長さLi(i=1,2,3,4)に対して十分に大きい広さを有する導体板にてなる接地導体11から電気的に絶縁され、かつ給電アンテナ素子A0を中心とする例えば半径d=λ/4の円形形状の位置に互いに同一の90度の間隔で無給電可変リアクタンス素子A1乃至A4が配置されるように設けられる。 In the present embodiment, as shown in FIG. 1 is a monopole element, respectively, a feeding antenna element A0, 4 present parasitic variable-reactance elements A1 to A4 and the respective, the length L 0 of the elements A0 each electrically insulated from the ground conductor 11 composed of a conductive plate having a length L i (i = 1,2,3,4) sufficiently large size relative to the elements A1 to A4, and the feed antenna element A0 The passive variable reactance elements A1 to A4 are provided at the same 90-degree intervals from each other, for example, at a circular position having a radius d = λ / 4 centered at.

図2において、給電アンテナ素子A0は、例えばλ/4の所定の長手方向の長さL0を有し接地導体11とは電気的に絶縁された円柱形状の放射素子6を備え、無線機(図示せず。)から給電される無線信号を伝送する給電用同軸ケーブル20の中心導体21は放射素子6の一端に接続され、その外部導体22は接地導体11に接続される。これにより、無線機から無線信号が同軸ケーブル20を介して給電アンテナ素子A0に給電されて放射される。 2, the feed antenna element A0 is provided with a radiating element 6 of electrically isolated cylindrical shape and the ground conductor 11 has a predetermined longitudinal length L 0 of the example lambda / 4, radios ( The center conductor 21 of the power supply coaxial cable 20 for transmitting a wireless signal fed from the power supply (not shown) is connected to one end of the radiating element 6, and the outer conductor 22 is connected to the ground conductor 11. As a result, a wireless signal is fed from the wireless device to the feeding antenna element A0 via the coaxial cable 20, and emitted.

図3において、各無給電可変リアクタンス素子A1乃至A4はそれぞれ、例えばλ/4の所定の長手方向の長さLi(i=1,2,3,4)を有し接地導体11とは電気的に絶縁された円柱形状の非励振素子7と、リアクタンス値Xi(i=1,2,3,4)を有する可変リアクタンス素子23とを備えて同様の構造を有して構成される。ここで、非励振素子7の一端は可変リアクタンス素子23を介して接地導体11に対して高周波的に接地される。例えば放射素子6と非励振素子7の長手方向の長さが実質的に同一であると仮定したとき、例えば、可変リアクタンス素子23がインダクタンス性(L性)を有するときは、可変リアクタンス素子23は延長コイルとなり、無給電可変リアクタンス素子A1乃至A4の電気長が給電アンテナ素子A0に比較して長くなり、反射器として働く。一方、例えば、可変リアクタンス素子23がキャパシタンス性(C性)を有するときは、可変リアクタンス素子23は短縮コンデンサとなり、無給電可変リアクタンス素子A1乃至A4の電気長が給電アンテナ素子A0に比較して短くなり、導波器として働く。 3, each of the parasitic variable reactance elements A1 to A4 has a predetermined length L i (i = 1, 2, 3, 4) of, for example, λ / 4, and is electrically connected to the ground conductor 11. It has a similar structure including a columnar non-exciting element 7 which is electrically insulated, and a variable reactance element 23 having a reactance value X i (i = 1, 2, 3, 4). Here, one end of the non-excitation element 7 is grounded at a high frequency to the ground conductor 11 via the variable reactance element 23. For example, assuming that the longitudinal lengths of the radiating element 6 and the non-exciting element 7 are substantially the same, for example, when the variable reactance element 23 has an inductance (L property), the variable reactance element 23 It becomes an extension coil, and the electrical length of the non-feeding variable reactance elements A1 to A4 becomes longer than that of the feeding antenna element A0, and works as a reflector. On the other hand, for example, when the variable reactance element 23 has a capacitance property (C property), the variable reactance element 23 becomes a shortening capacitor, and the electrical length of the parasitic variable reactance elements A1 to A4 is shorter than that of the feed antenna element A0. Work as a director.

従って、図1のアレーアンテナにおいて、各無給電可変リアクタンス素子A1乃至A4に接続された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、アレーアンテナの全体の平面指向性特性を変化させることができる。   Therefore, in the array antenna of FIG. 1, by changing the reactance value of the variable reactance elements connected to the parasitic variable reactance elements A1 to A4, it is possible to change the overall planar directivity characteristics of the array antenna.

図4は、図1のアレーアンテナの詳細な構成を示す断面図であり、図4の好ましい実施形態では、可変リアクタンス素子23として可変容量ダイオードDを用いている。   FIG. 4 is a cross-sectional view showing a detailed configuration of the array antenna of FIG. 1. In the preferred embodiment of FIG. 4, a variable capacitance diode D is used as the variable reactance element 23.

図4において、例えばポリカーボネートなどの誘電体基板10の上面に接地導体11が形成され、放射素子6は、接地導体11から電気的に絶縁されつつ、誘電体基板10を厚さ方向に貫通して支持されており、無線機(図示せず。)から無線信号が給電される。また、非励振素子7は接地導体11から電気的に絶縁されつつ、誘電体基板10を厚さ方向に貫通して支持される。ここで、非励振素子7の一端は可変容量ダイオードD及び、誘電体基板10を厚さ方向に貫通して充填形成されてなるスルーホール導体12を介して接地導体11に高周波的に接地されるとともに、抵抗Rを介して端子Tに接続される。また、端子Tは高周波バイパス用キャパシタC及び、誘電体基板10を厚さ方向に貫通して充填形成されてなるスルーホール導体13を介して接地導体11に高周波的に接地される。   In FIG. 4, a ground conductor 11 is formed on the upper surface of a dielectric substrate 10 such as a polycarbonate, and the radiating element 6 penetrates the dielectric substrate 10 in the thickness direction while being electrically insulated from the ground conductor 11. It is supported, and wireless signals are supplied from a wireless device (not shown). The parasitic element 7 is supported while penetrating the dielectric substrate 10 in the thickness direction while being electrically insulated from the ground conductor 11. Here, one end of the non-excitation element 7 is grounded at high frequency to the ground conductor 11 via the variable capacitance diode D and the through-hole conductor 12 which is formed by filling and penetrating the dielectric substrate 10 in the thickness direction. At the same time, it is connected to the terminal T via the resistor R. The terminal T is grounded at a high frequency to the ground conductor 11 via a high-frequency bypass capacitor C and a through-hole conductor 13 which is formed by filling and penetrating the dielectric substrate 10 in the thickness direction.

端子Tには、アレーアンテナの制御装置(図示せず。)により電圧制御される可変電圧直流電源30が接続され、これにより、可変容量ダイオードDに印加する逆バイアス電圧を変化させることにより、可変容量ダイオードDにおける静電容量値を変化させる。これにより、非励振素子7を備えた無給電可変リアクタンス素子A1の電気長を、給電アンテナ素子A0に比較して変化させ、当該アレーアンテナの平面指向性特性を変化させることができる。さらに、他の非励振素子7を備えた無給電可変リアクタンス素子A2乃至A4も同様に構成されて同様の作用を有する。以上のように構成されたアレーアンテナはESPARアンテナと呼ぶことができる。   The terminal T is connected to a variable voltage DC power supply 30 which is voltage-controlled by a control device (not shown) of the array antenna, thereby changing the reverse bias voltage applied to the variable capacitance diode D, thereby The capacitance value of the capacitance diode D is changed. As a result, the electrical length of the parasitic variable reactance element A1 having the parasitic element 7 can be changed as compared with the feed antenna element A0, and the planar directivity characteristics of the array antenna can be changed. Further, the parasitic variable reactance elements A2 to A4 having the other parasitic elements 7 are similarly configured and have the same operation. The array antenna configured as described above can be called an ESPAR antenna.

以上説明したように、第1の実施形態に係るアレーアンテナは、非常に簡単な構造を有し、例えば可変容量ダイオードDを用いれば、直流電圧で指向特性を電子的に制御可能なアレーアンテナを実現できる。当該アレーアンテナは、例えば、移動体通信端末用のアンテナとしてノートパソコンやPDAのような電子機器へ装着が容易であり、また、水平面のどの方向へ主ビームを走査した場合でも、すべての無給電可変リアクタンス素子A1乃至A4が導波器又は反射器として有効に機能し、指向特性の制御もきわめて容易である。   As described above, the array antenna according to the first embodiment has a very simple structure. For example, if the variable capacitance diode D is used, an array antenna capable of electronically controlling the directivity with a DC voltage can be obtained. realizable. The array antenna can be easily mounted on an electronic device such as a notebook computer or a PDA as an antenna for a mobile communication terminal, for example. The variable reactance elements A1 to A4 function effectively as a director or a reflector, and the control of the directivity is extremely easy.

<第2の実施形態>
図5は、本発明に係る第2の実施形態であるアレーアンテナの構成を示す斜視図である。本実施形態のアレーアンテナは、図1のアレーアンテナにおけるモノポールを、ダイポールに置き換えたものである。図5のアレーアンテナの解析モデルを図6及び図7に示す。ここで、図6はその解析モデルの斜視図であり、図7はその平面図である。
<Second embodiment>
FIG. 5 is a perspective view showing a configuration of an array antenna according to a second embodiment of the present invention. The array antenna of this embodiment is obtained by replacing the monopole in the array antenna of FIG. 1 with a dipole. FIGS. 6 and 7 show analytical models of the array antenna of FIG. Here, FIG. 6 is a perspective view of the analysis model, and FIG. 7 is a plan view thereof.

図5において、当該アレーアンテナの中心に設けられた給電アンテナ素子AA0は、互いに所定の間隔を置きかつ互いに1直線上に設けられた1対の放射素子6a,6bを備えて構成され、放射素子6a,6bの互いに対向する各一端はそれぞれ端子T11,T12に接続される。ここで、端子T11,T12は平衡型伝送ケーブルを介して無線機(図示せず。)に接続され、無線機から無線信号が当該給電アンテナ素子AA0に給電される。   In FIG. 5, a feeding antenna element AA0 provided at the center of the array antenna includes a pair of radiating elements 6a and 6b spaced at a predetermined distance from each other and arranged on a straight line with each other. Opposite ends of 6a and 6b are connected to terminals T11 and T12, respectively. Here, the terminals T11 and T12 are connected to a wireless device (not shown) via a balanced transmission cable, and a wireless signal is supplied from the wireless device to the feeding antenna element AA0.

給電アンテナ素子AA0を中心とした円形形状の位置に互いに所定の角度間隔で設けられた各無給電可変リアクタンス素子AA1乃至AA4はそれぞれ、互いに所定の間隔を置きかつ互いに1直線上に設けられた1対の非励振素子7a,7bを備え、非励振素子7a,7bの互いに対向する各一端は可変容量ダイオードD1を介して接続され、可変容量ダイオードD1の一端は抵抗R1を介して端子T1に接続され、可変容量ダイオードD1の他端は抵抗R2を介して端子T2に接続される。ここで、端子T1及びT2の間に高周波バイパス用キャパシタC1が接続される。また、端子T1及びT2には、図4の第1の実施形態と同様に、可変容量ダイオードD1に対して逆バイアス電圧を印加するための可変電圧直流電源(図示せず。)が接続される。   Each of the parasitic variable reactance elements AA1 to AA4 provided at a predetermined angular interval from each other at a circular position around the feeding antenna element AA0 is spaced apart from each other by a predetermined distance and arranged on a straight line with each other. One end of each of the non-exciting elements 7a and 7b is connected via a variable capacitance diode D1, and one end of the variable capacitance diode D1 is connected to a terminal T1 via a resistor R1. The other end of the variable capacitance diode D1 is connected to a terminal T2 via a resistor R2. Here, a high-frequency bypass capacitor C1 is connected between the terminals T1 and T2. A variable voltage DC power supply (not shown) for applying a reverse bias voltage to the variable capacitance diode D1 is connected to the terminals T1 and T2, as in the first embodiment of FIG. .

可変電圧直流電源により、各無給電可変リアクタンス素子AA1乃至AA4の可変容量ダイオードD1に印加する逆バイアス電圧を変化させることにより、可変容量ダイオードDにおける静電容量値を変化させる。これにより、非励振素子7a,7bを備えた各無給電可変リアクタンス素子AA1乃至AA4の電気長を、給電アンテナ素子AA0に比較して変化させ、当該アレーアンテナの平面指向性特性を変化させることができる。   The capacitance value of the variable capacitance diode D is changed by changing the reverse bias voltage applied to the variable capacitance diode D1 of each of the parasitic variable reactance elements AA1 to AA4 by the variable voltage DC power supply. This makes it possible to change the electrical length of each of the parasitic variable reactance elements AA1 to AA4 including the parasitic elements 7a and 7b as compared with the feed antenna element AA0, thereby changing the planar directivity characteristics of the array antenna. it can.

以上説明したように、第2の実施形態に係るアレーアンテナは非常に簡単な構造を有し、例えば可変容量ダイオードD1を用いれば、直流電圧で指向特性を電子的に制御可能なアレーアンテナを実現できる。当該アレーアンテナは、例えば、移動体通信端末用のアンテナとしてノートパソコンやPDAのような電子機器へ装着が容易であり、また、水平面のどの方向へ主ビームを走査した場合でも、すべての無給電可変リアクタンス素子AA1乃至AA4が導波器又は反射器として有効に機能し、指向特性の制御もきわめて容易である。   As described above, the array antenna according to the second embodiment has a very simple structure. For example, if the variable capacitance diode D1 is used, an array antenna whose directional characteristics can be electronically controlled with a DC voltage is realized. it can. The array antenna can be easily mounted on an electronic device such as a notebook computer or a PDA as an antenna for a mobile communication terminal, for example. The variable reactance elements AA1 to AA4 function effectively as a director or a reflector, and the control of the directivity is extremely easy.

<変形例>
以上の実施形態においては、送信用のアレーアンテナについて説明しているが、当該装置は非可逆回路を含まない可逆回路であるので、受信用に用いることができる。
<Modification>
In the above embodiments, the array antenna for transmission is described. However, since the device is a reversible circuit that does not include a non-reciprocal circuit, it can be used for reception.

以上の実施形態においては、4本の無給電可変リアクタンス素子A1乃至A4又はAA1乃至AA4を用いているが、その本数は少なくとも1本あれば、当該アレーアンテナの指向特性を電子的に制御することができる。なお、無給電可変リアクタンス素子A1乃至A4又はAA1乃至AA4の本数を多くすることにより、ビームの指向特性やビーム方向を細かく制御することでき、例えば、主ビームのビーム幅を狭くして鋭くするようにも制御できる。   In the above embodiment, the four parasitic variable reactance elements A1 to A4 or AA1 to AA4 are used. Can be. Note that by increasing the number of parasitic variable reactance elements A1 to A4 or AA1 to AA4, it is possible to finely control the beam directivity and the beam direction. For example, the beam width of the main beam can be narrowed and sharpened. Can also be controlled.

また、無給電可変リアクタンス素子A1乃至A4又はAA1乃至AA4の配置形状も上記の実施形態に限定されず、給電アンテナ素子A0から所定の距離だけ離れていればよい。すなわち、各無給電可変リアクタンス素子A1乃至A4又はAA1乃至AA4に対する間隔dは一定でなくてもよい。   In addition, the layout configuration of the parasitic variable reactance elements A1 to A4 or AA1 to AA4 is not limited to the above-described embodiment, and may be any distance from the feeding antenna element A0 by a predetermined distance. That is, the distance d to each of the parasitic variable reactance elements A1 to A4 or AA1 to AA4 may not be constant.

さらに、可変リアクタンス素子23は可変容量ダイオードD,D1に限定されず、リアクタンス値を制御可能な素子であればよい。可変容量ダイオードD,D1は一般に容量性の回路素子なので、リアクタンス値は常に負の値となる。上記可変リアクタンス素子23のリアクタンス値は、正から負の値までの範囲の値をとってもよく、このためには、例えば可変容量ダイオードD,D1に直列に固定のインダクタを挿入するか、もしくは、非励振素子7の長さをより長くすることにより、正から負の値までにわたってリアクタンス値を変化させることができる。   Further, the variable reactance element 23 is not limited to the variable capacitance diodes D and D1, but may be any element that can control the reactance value. Since the variable capacitance diodes D and D1 are generally capacitive circuit elements, the reactance value is always a negative value. The reactance value of the variable reactance element 23 may take a value ranging from a positive value to a negative value. For this purpose, for example, a fixed inductor is inserted in series with the variable capacitance diodes D and D1, or By increasing the length of the excitation element 7, the reactance value can be changed from a positive value to a negative value.

<実施形態の制御装置>
本実施形態に係る制御装置においては、第2の実施形態に係る図6及び図7に図示されたアレーアンテナを解析モデルとして用い、シミュレーションにおける放射パターンはモーメント法を用いて計算した。簡略化のために接地導体11を無限大であると仮定すると、アレーアンテナの各素子A0乃至A4は自由空間中のダイポールアンテナと同様に扱うことができる。この実施形態における計算パラメータは以下のように定める。
(a)無給電可変リアクタンス素子A1乃至A4の数nは4である。
(b)すべての素子A0乃至A4の長さを2Li(i=0,1,2,3,4)とし、2Li=0.463波長とする。
(c)給電アンテナ素子A0と無給電可変リアクタンス素子A1乃至A4との間隔dは1/4波長とする。
(d)無給電可変リアクタンス素子A1乃至A4のリアクタンス値Xiを制御するパラメータはxi(=2Xi,i=1,2,3,4)で、±250Ωの範囲で変化させる。
<Control device of the embodiment>
In the control device according to the present embodiment, the array antenna shown in FIGS. 6 and 7 according to the second embodiment was used as an analysis model, and the radiation pattern in the simulation was calculated using the moment method. Assuming that the ground conductor 11 is infinite for the sake of simplicity, each element A0 to A4 of the array antenna can be treated in the same manner as a dipole antenna in free space. The calculation parameters in this embodiment are determined as follows.
(A) The number n of the parasitic variable reactance elements A1 to A4 is four.
(B) The length of all the elements A0 to A4 is 2L i (i = 0, 1, 2, 3, 4), and 2L i = 0.463 wavelength.
(C) The distance d between the feeding antenna element A0 and the parasitic variable reactance elements A1 to A4 is 1 / wavelength.
(D) The parameter for controlling the reactance value X i of the parasitic variable reactance elements A1 to A4 is x i (= 2X i , i = 1, 2, 3, 4), and is changed within a range of ± 250Ω.

本実施形態に係る制御装置は、所望電波が到来する方向の方位角φを与え、その方向の利得G(x1,x2,…,xn;φ)を最大化するように制御する装置である。この制御は、xiを未知変数とし、リアクタンス値と方位角の関数であり利得Gに基づく評価関数V(x1,x2,…,xn)を最小とする一種の最適化問題の制御である。ここでの評価関数を次式とする。なお、当該明細書において、数式がイメージ入力された墨付き括弧の数番号と、数式が文字入力された大括弧の数式番号とを混在して用いており、また、当該明細書での一連の数式番号として「式(1)」の形式を用いて数式番号を式の最後部に付与して用いることとする。 The control device according to the present embodiment gives an azimuth angle φ in a direction in which a desired radio wave arrives, and performs control to maximize a gain G (x 1 , x 2 ,..., X n ; φ) in that direction. It is. This control is a control of a kind of optimization problem in which x i is an unknown variable and the evaluation function V (x 1 , x 2 ,..., X n ) which is a function of the reactance value and the azimuth and is based on the gain G is minimized. It is. The evaluation function here is represented by the following equation. Note that, in the specification, a numerical number of black brackets in which a mathematical expression is input as an image and a mathematical expression number of square brackets in which a mathematical expression is input are used in combination, and a series of numbers in the specification are used. It is assumed that the formula number is given to the last part of the formula by using the format of “formula (1)” and used.

[数1]
V(x1,x2,…,xn)=−G(x1,x2,…,xn;φ) (1)
[Equation 1]
V (x 1 , x 2 ,..., X n ) = − G (x 1 , x 2 ,..., X n ; φ) (1)

上記の最適化問題を解くために、本実施形態においては、高次元アルゴリズム(例えば、非特許文献4及び5参照。)を用いる。この高次元アルゴリズムは最適化問題を解く手法であり、ハミルトニアン力学における自律的な運動に基礎をおいている。具体的には、この高次元アルゴリズムでは未知変数を質点の座標に、評価関数をポテンシャルエネルギーに、それぞれ対応させることによって、問題をn次元空間における質点の運動に置き換える。そして、その運動を追跡することによって問題を解く。本実施形態において、質点のハミルトニアンHは次式のように与える。   In the present embodiment, a high-dimensional algorithm (for example, see Non-Patent Documents 4 and 5) is used to solve the above-described optimization problem. This high-dimensional algorithm solves optimization problems and is based on autonomous motion in Hamiltonian dynamics. Specifically, in this high-dimensional algorithm, the problem is replaced with the motion of the mass in n-dimensional space by associating the unknown variables with the coordinates of the mass and the evaluation function with the potential energy. Then solve the problem by tracking its movement. In the present embodiment, the Hamiltonian H of the mass point is given by the following equation.

Figure 2004153854
Figure 2004153854

ここで、式(2)の右辺の第2項は運動量piの関数として表した運動エネルギーを意味する。本来、この項は最適化したい変数及び評価関数とは関係がないため、変形が可能であり、解探索の効率を良くするために新しい正の定数γを導入している。実在の系ではγ=1である。ハミルトニアン力学を詳細に分析すれば、質点がリアクタンス値に対応する未知変数である質点座標xiに存在する確率密度は、次式に比例する(例えば、非特許文献5参照。)。 Here, the second term on the right side of Equation (2) means kinetic energy expressed as a function of momentum p i . Originally, this term has no relation to the variable to be optimized and the evaluation function, so that the term can be modified, and a new positive constant γ is introduced to improve the efficiency of the solution search. In a real system, γ = 1. If the Hamiltonian dynamics is analyzed in detail, the probability density that the mass point exists at the mass coordinate x i , which is an unknown variable corresponding to the reactance value, is proportional to the following equation (for example, see Non-Patent Document 5).

Figure 2004153854
Figure 2004153854

ここで、Eは全体のエネルギーである。これは、次式が成り立つときポテンシャルエネルギーの低い位置に質点が高確率で存在するということを意味する。   Here, E is the total energy. This means that a mass point exists with a high probability at a position with low potential energy when the following equation is satisfied.

Figure 2004153854
Figure 2004153854

言い換えれば、この条件を満たすならば最適解が見つかりやすいということである。質点の運動は次式の運動方程式を用いて演算を行う。   In other words, if this condition is satisfied, it is easy to find the optimal solution. The motion of the mass point is calculated using the following equation of motion.

Figure 2004153854
Figure 2004153854
Figure 2004153854
Figure 2004153854

本実施形態での計算では、質点座標xiと運動量piの初期値は経験的に与え、正の定数γも経験的に0.3と定める。後述するコントローラ100による高次元アルゴリズムによる演算では、上記式(2)、式(5)及び式(6)を用いて、質点座標xiと運動量piを時間tとともに繰り返し変化させることにより、リアクタンス値に対応する質点座標xiを逐次演算する。なお、質点はリアクタンス値の境界(±250Ω)では、以下に示すように全反射するように計算する。ここで、時刻をtとし、その増分をΔtとする。 In the calculation in the present embodiment, the initial values of the mass coordinates x i and the momentum p i are empirically given, and the positive constant γ is empirically set to 0.3. In the calculation by the high-dimensional algorithm by the controller 100 described later, the reactance is obtained by repeatedly changing the mass coordinates x i and the momentum p i with time t using the above equations (2), (5) and (6). The mass coordinates x i corresponding to the values are sequentially calculated. The mass point is calculated so as to be totally reflected as shown below at the boundary of the reactance value (± 250Ω). Here, the time is t, and the increment is Δt.

(1)時刻(t+Δt)の計算途中で、
[数2]
i(t+Δt)>最大値Max(例えば、+250Ω) (7)
となった場合、次式において右辺の結果から左辺に代入する。
(1) During the calculation of the time (t + Δt),
[Equation 2]
x i (t + Δt)> maximum value Max (for example, + 250Ω) (7)
In the following equation, the result on the right side is substituted into the left side in the following equation.

[数3]
i(t+Δt)=2・Max−xi(t+Δt) (8)
[数4]
i(t)=2・Max−xi(t) (9)
[数5]
i(t)=−pi(t) (10)
[数6]
i(t−Δt)=−pi(t−Δt) (11)
[数7]
(∂pi/∂t)(t)=−(∂pi/∂t)(t) (12)
[Equation 3]
x i (t + Δt) = 2 · Max−x i (t + Δt) (8)
[Equation 4]
x i (t) = 2 · Max−x i (t) (9)
[Equation 5]
p i (t) = − p i (t) (10)
[Equation 6]
p i (t−Δt) = − p i (t−Δt) (11)
[Equation 7]
(∂p i / ∂t) (t ) = - (∂p i / ∂t) (t) (12)

(2)時刻(t+Δt)の計算途中で、
[数8]
i(t+Δt)<最小値Min(例えば、−250Ω) (13)
となった場合、次式において右辺の結果から左辺に代入する。
(2) During the calculation of the time (t + Δt),
[Equation 8]
x i (t + Δt) <minimum value Min (for example, −250Ω) (13)
In the following equation, the result on the right side is substituted into the left side in the following equation.

[数9]
i(t+Δt)=2・Min−xi(t+Δt) (14)
[数10]
i(t)=2・Min−xi(t) (15)
[数11]
i(t)=−pi(t) (16)
[数12]
i(t−Δt)=−pi(t−Δt) (17)
[数13]
(∂pi/∂t)(t)=−(∂pi/∂t)(t) (18)
[Equation 9]
x i (t + Δt) = 2 · Min−x i (t + Δt) (14)
[Equation 10]
x i (t) = 2 · Min−x i (t) (15)
[Equation 11]
p i (t) = − p i (t) (16)
[Equation 12]
p i (t−Δt) = − p i (t−Δt) (17)
[Equation 13]
(∂p i / ∂t) (t) = − (∂p i / ∂t) (t) (18)

図8は、本実施形態のアレーアンテナの指向特性を制御するコントローラ100とその周辺回路を示すブロック図である。図8において、コントローラ100は、
(a)当該装置の演算制御を行うディジタル計算機であるCPU101と、
(b)少なくとも図9のアレーアンテナの制御処理を含むプログラムとそれを実行するために必要なデータを格納したROM102と、
(c)CPU101のワーキングメモリとして使用され演算途中及び演算結果のデータを一時的に格納するRAM103と、
(d)キーボード111に接続され、キーボード111からの信号に対して所定の信号変換処理を実行してCPU101に出力するキーボードインターフェース104と、
(e)CRTディスプレイ112に接続され、CPU101で演算されたデータに対して所定の信号変換処理を実行してCRTディスプレイ112に出力して表示するディスプレイインターフェース105と、
(f)プリンタ113に接続され、CPU101で演算されたデータに対して所定の信号変換処理を実行してプリンタ113に出力して印字するプリンタインターフェース106と、
(g)アレーアンテナの可変リアクタンス23(図3)に接続され、CPU101で演算されたリアクタンス値のデータに対して所定の信号変換処理を実行して可変リアクタンス23に出力してその値に設定するコントロールインターフェース107とを備え、
これらの回路101乃至107がバス108を介して接続される。なお、キーボード111からの入力処理はCPU101において割り込み処理で実行される。
FIG. 8 is a block diagram showing a controller 100 for controlling the directional characteristics of the array antenna of the present embodiment and its peripheral circuits. 8, the controller 100 includes:
(A) a CPU 101 which is a digital computer for performing arithmetic control of the device;
(B) a ROM 102 storing at least a program including the control processing of the array antenna of FIG. 9 and data necessary for executing the program;
(C) a RAM 103 which is used as a working memory of the CPU 101 and temporarily stores data during the operation and the result of the operation;
(D) a keyboard interface 104 that is connected to the keyboard 111 and executes a predetermined signal conversion process on a signal from the keyboard 111 and outputs the signal to the CPU 101;
(E) a display interface 105 that is connected to the CRT display 112, executes a predetermined signal conversion process on the data calculated by the CPU 101, and outputs the data to the CRT display 112 for display;
(F) a printer interface 106 which is connected to the printer 113, executes predetermined signal conversion processing on the data calculated by the CPU 101, and outputs the data to the printer 113 for printing;
(G) Connected to the variable reactance 23 (FIG. 3) of the array antenna, executes a predetermined signal conversion process on the reactance value data calculated by the CPU 101, outputs the result to the variable reactance 23, and sets the value. A control interface 107;
These circuits 101 to 107 are connected via a bus 108. The input process from the keyboard 111 is executed by the CPU 101 as an interrupt process.

以上の実施形態においては、所望電波の方位角φはキーボード111を用いて入力しているが、本発明はこれに限らず、受信信号を公知の方法により信号処理することにより所望波の到来角である方位角φを演算してこれを当該コントローラ100の入力データとしてもよい。   In the above embodiment, the azimuth angle φ of the desired radio wave is input using the keyboard 111. However, the present invention is not limited to this, and the arrival angle of the desired wave is obtained by processing the received signal by a known method. May be calculated and used as input data of the controller 100.

図9は、図8のコントローラ100によって実行されるアレーアンテナの制御処理を示すフローチャートである。図9において、まず、ステップS1において所望電波が到来する方向の方位角φが入力されたか否かが判断され、YESとなるまでステップS1の処理を繰り返し、ステップS2において繰り返し回数を示すパラメータmを1に初期化する。次いで、ステップS3において入力された方位角φに基づいて、上述した高次元アルゴリズムを用いて、式(1)の評価関数V(x1,x2,…,xn)が最小となるリアクタンス値x1,x2,…,xnを計算する。そして、ステップS4においてパラメータmが終了条件である所定のしきい値m0(例えば、10,000)以上であるか否かが判断され、NOのときは、ステップS5においてパラメータmを1だけインクリメントしてステップS3の処理を繰り返す。この繰り返し処理では、前回のリアクタンス値xiと運動量piを用いて上記高次元アルゴリズムの演算を実行する。一方、ステップS4でYESであるときは処理が終了であると判断し、ステップS6において計算されたリアクタンス値x1,x2,…,xnをCRTディスプレイ112及びプリンタ113に出力してそれぞれ表示しかつ印字する。さらに、ステップS7において当該計算されたリアクタンス値x1,x2,…,xnとなるように各可変リアクタンス23を制御して上記ステップS1の処理に戻る。 FIG. 9 is a flowchart showing a control process of the array antenna executed by the controller 100 of FIG. In FIG. 9, first, it is determined whether or not the azimuth angle φ in the direction in which the desired radio wave arrives is determined in step S1, and the process of step S1 is repeated until the result becomes YES. Initialize to 1. Next, based on the azimuth angle φ input in step S3, a reactance value that minimizes the evaluation function V (x 1 , x 2 ,..., X n ) of Expression (1) using the above-described high-dimensional algorithm. x 1 , x 2 ,..., x n are calculated. Then, in step S4, it is determined whether or not the parameter m is equal to or more than a predetermined threshold value m 0 (for example, 10,000) as an end condition. If NO, the parameter m is incremented by 1 in step S5. Then, the process of step S3 is repeated. In this repetitive processing, the operation of the high-dimensional algorithm is executed using the previous reactance value x i and momentum p i . On the other hand, it is determined that time is YES in step S4 is processing is ended, the calculated reactance x 1, x 2 in step S6, ..., displaying each output x n on the CRT display 112 and printer 113 And print. Furthermore, the calculated reactance x 1, x 2 in step S7, ..., by controlling the variable reactance 23 such that x n the process returns to step S1.

本発明者らは、第2の実施形態に係る図6及び図7に図示した解析モデルに対して、高次元アルゴリズムを適用した演算制御処理と、従来技術のモンテカルロ法を用いたときの演算制御処理とをシミュレーションし、その結果を以下に示す。以下で参照する図において、HAは高次元アルゴリズムを用いた演算制御処理であり、MCはモンテカルロ法を用いたときの演算制御処理である。このシミュレーションでは、0°から45°まで5°刻みの所望方位角について、リアクタンス値をm0=10,000回更新する計算を行い、最適なリアクタンス値を求めた。アンテナが対照的な構造をしているためにこの範囲の角度について計算すれば十分である。 The present inventors have applied an arithmetic control process that applies a high-dimensional algorithm to the analysis models illustrated in FIGS. 6 and 7 according to the second embodiment, and an arithmetic control process using a conventional Monte Carlo method. The processing is simulated, and the results are shown below. In the figures referred to below, HA is an arithmetic control process using a high-dimensional algorithm, and MC is an arithmetic control process when the Monte Carlo method is used. In this simulation, the reactance value was updated 10,000 times for the desired azimuth angle from 0 ° to 45 ° in increments of 5 °, m 0 = 10,000, and the optimum reactance value was obtained. It is sufficient to calculate for angles in this range due to the contrasting structure of the antenna.

図10乃至図13はそれぞれ、高次元アルゴリズムを用いた第2の実施形態のシミュレーション結果であり、所望電波の方位角φ=0、15、30、45(度)のときのリアクタンス値を表す質点座標xiの軌跡を示すグラフであり、(a)はそのときのx1−x3特性を示すグラフであり、(b)はx2−x4特性を示すグラフである。図10乃至図13から明らかなように、軌跡がうまく最適解の付近に集中していることがわかる。 FIGS. 10 to 13 are simulation results of the second embodiment using the high-dimensional algorithm, respectively. Mass points representing reactance values when the azimuth φ of the desired radio wave is 0, 15, 30, 45 (degrees) it is a graph showing the trajectory of the coordinates x i, (a) is a graph showing the x 1 -x 3 characteristic when the, (b) is a graph showing the x 2 -x 4 properties. As is clear from FIGS. 10 to 13, it can be seen that the trajectory is well concentrated near the optimal solution.

図14乃至図17はそれぞれ、高次元アルゴリズムを用いた第2の実施形態のシミュレーション結果及びモンテカルロ法によるシミュレーション結果であり、所望電波の方位角φ=0、15、30、45(度)のときの利得のヒストグラムを示すグラフである。これらの図では、結果として得られた利得を0.2dBごとに分割した度数を示しており、比較のため同じ計算回数のモンテカルロ法によって得た結果のヒストグラムも示した。図14乃至図17から、モンテカルロ法よりも高次元アルゴリズムによる方がより高い利得の領域に集中があることは明らかである。   14 to 17 show the simulation results of the second embodiment using the high-dimensional algorithm and the simulation results by the Monte Carlo method, respectively, when the azimuth φ of the desired radio wave is 0, 15, 30, 45 (degrees). 6 is a graph showing a histogram of the gains of FIG. These figures show the frequency obtained by dividing the resulting gain by 0.2 dB, and also show, for comparison, histograms of the results obtained by the Monte Carlo method with the same number of calculations. From FIG. 14 to FIG. 17, it is apparent that the higher-dimensional algorithm is more concentrated in the higher gain region than the Monte Carlo method.

図18は、高次元アルゴリズムを用いた第2の実施形態のシミュレーション結果及びモンテカルロ法によるシミュレーション結果であり、所望電波の方位角φに対する最大利得を与える最適なリアクタンス値を示すグラフである。図18では、高次元アルゴリズム10,000回計算とモンテカルロ法50,000回計算をおこなって得られた、最大利得を与えるリアクタンス値xiの最適値を示しており、高次元アルゴリズムでもモンテカルロ法と同様の結果が得られている。 FIG. 18 is a graph showing a simulation result of the second embodiment using the high-dimensional algorithm and a simulation result by the Monte Carlo method, and is a graph showing an optimum reactance value that gives the maximum gain with respect to the azimuth φ of the desired radio wave. FIG. 18 shows the optimum value of the reactance value x i that gives the maximum gain, obtained by performing the calculation 10,000 times and the Monte Carlo method 50,000 times for the high-dimensional algorithm. Similar results have been obtained.

図19は、高次元アルゴリズムを用いた第2の実施形態のシミュレーション結果及びモンテカルロ法によるシミュレーション結果であり、所望電波の方位角φに対する最大利得を示すグラフである。図19から明らかなように、高次元アルゴリズムではモンテカルロ法と比べて1/5の計算回数であるにもかかわらず、ほとんど同じ9.1dBi±0.5dBの利得値を全角度に対して得ている。   FIG. 19 shows a simulation result of the second embodiment using the high-dimensional algorithm and a simulation result by the Monte Carlo method, and is a graph showing the maximum gain with respect to the azimuth angle φ of the desired radio wave. As is apparent from FIG. 19, the gain value of 9.1 dBi ± 0.5 dB is almost the same for all angles in the high-dimensional algorithm although the number of calculations is 1/5 of that of the Monte Carlo method. I have.

図20は、高次元アルゴリズムを用いた第2の実施形態のシミュレーション結果であり、所望電波の方位角φにおいて最大利得を得るようにリアクタンス値を最適化したときの放射パターンを示す指向特性図であり、(a)は方位角φ=0(度)のときの指向特性図であり、(b)は方位角φ=15(度)のときの指向特性図であり、(c)は方位角φ=30(度)のときの指向特性図であり、(d)は方位角φ=45(度)のときの指向特性図である。ここで、指定した角度における利得が最大であるということは、その角度において放射パターンがピークをもつということには必ずしも対応しないことに注意を要する。   FIG. 20 is a directional characteristic diagram showing a radiation pattern when a reactance value is optimized so as to obtain a maximum gain at an azimuth angle φ of a desired radio wave, which is a simulation result of the second embodiment using a high-dimensional algorithm. (A) is a directional characteristic diagram when the azimuth angle φ = 0 (degree), (b) is a directional characteristic diagram when the azimuth angle = 15 (degree), and (c) is an azimuth angle. It is a directional pattern when φ = 30 (degrees), and (d) is a directional pattern when azimuth φ = 45 (degrees). Here, it should be noted that the fact that the gain at the specified angle is the maximum does not necessarily correspond to the fact that the radiation pattern has a peak at that angle.

以上説明したように、本実施形態は、ESPARアンテナにおける最適化問題に対して高次元アルゴリズムを初めて導入ものである。指定した方向の利得を最大にするための無給電素子のリアクタンス最適値を求める問題を5素子ESPARアンテナの場合について解いた例を示した。従来技術のモンテカルロ法に比較して、本実施形態に係るアルゴリズムは1/5程度の計算回数で最適なリアクタンス値を発見することができた。得られた指向性利得は全方位角に対して9.1dBi±0.5dBである。   As described above, this embodiment is the first to introduce a high-dimensional algorithm for the optimization problem in the ESPAR antenna. An example is shown in which the problem of finding the optimum reactance of the parasitic element for maximizing the gain in the specified direction is solved for a five-element ESPAR antenna. Compared to the conventional Monte Carlo method, the algorithm according to the present embodiment was able to find the optimum reactance value with about 1/5 the number of calculations. The obtained directivity gain is 9.1 dBi ± 0.5 dB for all azimuth angles.

一般的に高次元アルゴリズムは多くの未知変数をもつ問題に対して有効であるため、より多数の素子で複雑な構造をもつESPARアンテナの最適化についても適用可能である。   In general, a high-dimensional algorithm is effective for a problem having many unknown variables, and thus can be applied to optimization of an ESPAR antenna having a complicated structure with a larger number of elements.

本発明に係る第1の実施形態であるアレーアンテナの構成を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view illustrating a configuration of an array antenna according to a first embodiment of the present invention. 図1の給電アンテナ素子A0の構成を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration of a feeding antenna element A0 in FIG. 1. 図1の無給電可変リアクタンス素子A1乃至A4の構成を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration of a parasitic variable reactance element A1 to A4 in FIG. 1. 図1のアレーアンテナの詳細な構成を示す断面図である。FIG. 2 is a sectional view showing a detailed configuration of the array antenna of FIG. 1. 本発明に係る第2の実施形態であるアレーアンテナの構成を示す斜視図である。It is a perspective view showing the composition of the array antenna which is a 2nd embodiment concerning the present invention. 第2の実施形態のアレーアンテナの解析モデルを示す斜視図である。It is a perspective view showing an analysis model of an array antenna of a 2nd embodiment. 図6のアレーアンテナの平面配置を示す平面図である。FIG. 7 is a plan view showing a planar arrangement of the array antenna of FIG. 6. 本実施形態のアレーアンテナの指向特性を制御するコントローラ100とその周辺回路を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram illustrating a controller 100 that controls the directional characteristics of the array antenna according to the present embodiment and peripheral circuits thereof. 図8のコントローラ100によって実行されるアレーアンテナ野制御処理を示すフローチャートである。9 is a flowchart illustrating an array antenna field control process executed by the controller 100 of FIG. 8. 高次元アルゴリズムを用いた第2の実施形態のシミュレーション結果であり、所望電波の方位角φ=0(度)のときのリアクタンス値の軌跡を示すグラフであり、(a)はそのときのx1−x3特性を示すグラフであり、(b)はx2−x4特性を示すグラフである。A second simulation of the embodiment results with high-dimensional algorithm is a graph showing the trajectory of the reactance value when the desired radio wave azimuth angle phi = 0 (degrees), (a) it is x 1 at that time is a graph showing the -x 3 properties, (b) is a graph showing the x 2 -x 4 properties. 高次元アルゴリズムを用いた第2の実施形態のシミュレーション結果であり、所望電波の方位角φ=15(度)のときのリアクタンス値の軌跡を示すグラフであり、(a)はそのときのx1−x3特性を示すグラフであり、(b)はx2−x4特性を示すグラフである。The result of a simulation of the second embodiment using the high-dimensional algorithm is a graph showing the trajectory of the reactance value when the desired radio wave azimuth angle phi = 15 (degrees), (a) it is x 1 at that time is a graph showing the -x 3 properties, (b) is a graph showing the x 2 -x 4 properties. 高次元アルゴリズムを用いた第2の実施形態のシミュレーション結果であり、所望電波の方位角φ=30(度)のときのリアクタンス値の軌跡を示すグラフであり、(a)はそのときのx1−x3特性を示すグラフであり、(b)はx2−x4特性を示すグラフである。The result of a simulation of the second embodiment using the high-dimensional algorithm is a graph showing the trajectory of the reactance value when the desired radio wave azimuth angle phi = 30 (degrees), (a) it is x 1 at that time is a graph showing the -x 3 properties, (b) is a graph showing the x 2 -x 4 properties. 高次元アルゴリズムを用いた第2の実施形態のシミュレーション結果であり、所望電波の方位角φ=45(度)のときのリアクタンス値の軌跡を示すグラフであり、(a)はそのときのx1−x3特性を示すグラフであり、(b)はx2−x4特性を示すグラフである。The result of a simulation of the second embodiment using the high-dimensional algorithm is a graph showing the trajectory of the reactance value when the desired radio wave azimuth angle phi = 45 (degrees), (a) it is x 1 at that time is a graph showing the -x 3 properties, (b) is a graph showing the x 2 -x 4 properties. 高次元アルゴリズムを用いた第2の実施形態のシミュレーション結果及びモンテカルロ法によるシミュレーション結果であり、所望電波の方位角φ=0(度)のときの利得のヒストグラムを示すグラフである。7 is a graph showing a simulation result of the second embodiment using a high-dimensional algorithm and a simulation result by the Monte Carlo method, and showing a histogram of gain when the azimuth φ of a desired radio wave is 0 (degrees). 高次元アルゴリズムを用いた第2の実施形態のシミュレーション結果及びモンテカルロ法によるシミュレーション結果であり、所望電波の方位角φ=15(度)のときの利得のヒストグラムを示すグラフである。It is a simulation result of a 2nd embodiment using a high-dimensional algorithm, and a simulation result by the Monte Carlo method, and is a graph showing a histogram of a gain at the time of azimuth φ = 15 (degrees) of a desired electric wave. 高次元アルゴリズムを用いた第2の実施形態のシミュレーション結果及びモンテカルロ法によるシミュレーション結果であり、所望電波の方位角φ=30(度)のときの利得のヒストグラムを示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing a simulation result of the second embodiment using a high-dimensional algorithm and a simulation result by a Monte Carlo method, and showing a histogram of gain when the azimuth φ of a desired radio wave is 30 (degrees). 高次元アルゴリズムを用いた第2の実施形態のシミュレーション結果及びモンテカルロ法によるシミュレーション結果であり、所望電波の方位角φ=45(度)のときの利得のヒストグラムを示すグラフである。9 is a graph showing a simulation result of the second embodiment using the high-dimensional algorithm and a simulation result by the Monte Carlo method, and showing a histogram of a gain when the azimuth φ of the desired radio wave is 45 (degrees). 高次元アルゴリズムを用いた第2の実施形態のシミュレーション結果及びモンテカルロ法によるシミュレーション結果であり、所望電波の方位角φに対する最大利得を与える最適なリアクタンス値を示すグラフである。9 is a graph showing a simulation result of the second embodiment using a high-dimensional algorithm and a simulation result by a Monte Carlo method, and is a graph showing an optimum reactance value that gives a maximum gain with respect to an azimuth φ of a desired radio wave. 高次元アルゴリズムを用いた第2の実施形態のシミュレーション結果及びモンテカルロ法によるシミュレーション結果であり、所望電波の方位角φに対する最大利得を示すグラフである。9 is a graph showing a simulation result of the second embodiment using a high-dimensional algorithm and a simulation result by a Monte Carlo method, and is a graph showing a maximum gain with respect to an azimuth angle φ of a desired radio wave. 高次元アルゴリズムを用いた第2の実施形態のシミュレーション結果であり、所望電波の方位角φにおいて最大利得を得るようにリアクタンス値を最適化したときの放射パターンを示す指向特性図であり、(a)は方位角φ=0(度)のときの指向特性図であり、(b)は方位角φ=15(度)のときの指向特性図であり、(c)は方位角φ=30(度)のときの指向特性図であり、(d)は方位角φ=45(度)のときの指向特性図である。FIG. 9 is a simulation result of the second embodiment using a high-dimensional algorithm, and is a directional pattern diagram showing a radiation pattern when a reactance value is optimized so as to obtain a maximum gain at an azimuth angle φ of a desired radio wave. ) Is a directional characteristic diagram when the azimuth angle φ = 0 (degree), (b) is a directional characteristic diagram when the azimuth angle φ = 15 (degree), and (c) is an azimuth angle φ = 30 (degree). (D) is a directional characteristic diagram, and (d) is a directional characteristic diagram at an azimuth angle φ = 45 (degree).

符号の説明Explanation of reference numerals

A0,AA0…給電アンテナ素子、
A1乃至A4,AA1乃至AA4…無給電可変リアクタンス素子、
C,C1…キャパシタ、
D,D1…可変容量ダイオード、
R,R1,R2…抵抗、
T,T1,T2…端子、
6,6a,6b…放射素子、
7,7a,7b…非励振素子、
10…誘電体基板、
11…接地導体、
12,13…スルーホール導体、
20…給電用同軸ケーブル、
21…中心導体、
22…外部導体、
23…可変リアクタンス素子、
30…可変電圧直流電源、
100…コントローラ、
101…CPU、
102…ROM、
103…RAM、
104…キーボードインターフェース、
105…ディスプレイインターフェース、
106…プリンタインターフェース、
107…コントロールインターフェース、
108…バス、
111…キーボード、
112…CRTディスプレイ、
113…プリンタ。
A0, AA0 ... feeding antenna element,
A1 to A4, AA1 to AA4 ... parasitic variable reactance elements,
C, C1 ... capacitor,
D, D1 ... variable capacitance diode,
R, R1, R2 ... resistance,
T, T1, T2 ... terminals,
6,6a, 6b ... radiating element,
7, 7a, 7b ... non-excitation element,
10: dielectric substrate,
11 ground conductor
12, 13 ... through-hole conductor,
20: Coaxial cable for power supply,
21 ... Center conductor,
22 ... outer conductor,
23 ... variable reactance element,
30 ... Variable voltage DC power supply,
100 ... controller,
101 ... CPU,
102 ... ROM,
103 ... RAM,
104 ... keyboard interface,
105 ... display interface,
106 ... Printer interface,
107 ... Control interface,
108 ... bus,
111 ... keyboard,
112 ... CRT display,
113 ... Printer.

Claims (6)

無線信号が給電される放射素子と、この放射素子から所定の間隔だけ離れて設けられ、無線信号が給電されない少なくとも1個の非励振素子と、この非励振素子に接続された可変リアクタンス素子とから成るアレーアンテナを具備し、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の制御装置であって、
所望の無線入力信号の到来する方向を示す方位角に基づいて、所定の高次元アルゴリズムの運動方程式を用いて、上記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を、上記方位角との関数でありアレーアンテナの利得に基づく評価関数が最小となるように繰り返し演算する演算手段を備えたことを特徴とするアレーアンテナの制御装置。
A radiating element to which a radio signal is fed, at least one parasitic element provided at a predetermined distance from the radiating element and not supplied with a radio signal, and a variable reactance element connected to the parasitic element. An array antenna control device comprising an array antenna comprising: changing a reactance value of the variable reactance element to change a directional characteristic of the array antenna;
Based on the azimuth indicating the direction in which the desired wireless input signal arrives, the reactance value of the variable reactance element is calculated by using a predetermined high-dimensional algorithm of motion as a function of the azimuth and the gain of the array antenna. A control device for an array antenna, comprising: a calculating means for repeatedly calculating so as to minimize an evaluation function based on.
請求項1記載のアレーアンテナの制御装置において、
上記演算手段によって演算された上記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を上記可変リアクタンス素子に設定するように制御する制御手段をさらに備えたことを特徴とするアレーアンテナの制御装置。
The control device for an array antenna according to claim 1,
A control device for an array antenna, further comprising control means for controlling the reactance value of the variable reactance element calculated by the calculation means to be set in the variable reactance element.
請求項1又は2記載のアレーアンテナの制御装置において、
上記可変リアクタンス素子は可変容量ダイオードであり、
上記可変容量ダイオードに印加する逆バイアス電圧を変化させることにより上記可変容量ダイオードの静電容量を変化させて上記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アレーアンテナの制御装置。
The control device for an array antenna according to claim 1 or 2,
The variable reactance element is a variable capacitance diode,
A control device for an array antenna, wherein the directivity characteristic of the array antenna is changed by changing a capacitance of the variable capacitance diode by changing a reverse bias voltage applied to the variable capacitance diode.
請求項1乃至3のうちの1つに記載のアレーアンテナの制御装置において、
上記非励振素子を複数個備え、上記複数個の非励振素子は、上記放射素子を中心とする円形状の位置に配置されたことを特徴とするアレーアンテナの制御装置。
The control device for an array antenna according to any one of claims 1 to 3,
A control device for an array antenna, comprising: a plurality of said non-excitation elements; wherein said plurality of non-excitation elements are arranged at a circular position centered on said radiation element.
無線信号が給電される放射素子と、この放射素子から所定の間隔だけ離れて設けられ、無線信号が給電されない少なくとも1個の非励振素子と、この非励振素子に接続された可変リアクタンス素子とから成るアレーアンテナを具備し、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の制御方法であって、
所望の無線入力信号の到来する方向を示す方位角に基づいて、所定の高次元アルゴリズムの運動方程式を用いて、上記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を、上記方位角との関数でありアレーアンテナの利得に基づく評価関数が最小となるように繰り返し演算するステップを含むことを特徴とするアレーアンテナの制御方法。
A radiating element to which a radio signal is fed, at least one parasitic element provided at a predetermined distance from the radiating element and not supplied with a radio signal, and a variable reactance element connected to the parasitic element. An array antenna control method comprising: an array antenna comprising: changing a reactance value of the variable reactance element to change a directional characteristic of the array antenna;
Based on the azimuth indicating the direction in which the desired wireless input signal arrives, the reactance value of the variable reactance element is calculated by using a predetermined high-dimensional algorithm of motion as a function of the azimuth and the gain of the array antenna. A method for controlling an array antenna, comprising a step of repeatedly performing an operation so that an evaluation function based on the minimum is obtained.
請求項5記載のアレーアンテナの制御方法において、
上記演算された上記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を、上記可変リアクタンス素子に設定するように制御するステップをさらに含むことを特徴とするアレーアンテナの制御方法。
The method for controlling an array antenna according to claim 5,
And controlling the calculated reactance value of the variable reactance element so as to set the variable reactance element to the variable reactance element.
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