JP2006174322A

JP2006174322A - アンテナの配置の設計方法及びこれを用いた電子機器

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Publication number: JP2006174322A
Application number: JP2004367165A
Authority: JP
Inventors: Hideto Shimizu; 英仁清水; Yukinori Sasaki; 幸紀佐々木
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2024-12-20
Also published as: JP4337728B2; WO2006067914A1

Abstract

【課題】本発明は、複数のアンテナを内蔵した電子機器におけるアンテナの配置の最適設計に要する時間を著しく短縮した設計方法及びこの設計方法を用いて設計されたアンテナを搭載した電子機器を提供することを目的とする。
【解決手段】アンテナを含む所定の解析領域の大きさと配置を決定（Ｓ１）し、ｂｉｔ列情報の生成（Ｓ３）を保ったまま、電磁界シミュレーション（Ｓ４）、適応度の計算（Ｓ５）を実施した後、収束判定（Ｓ６）を行ない、この判定の結果、必要に応じて遺伝的アルゴリズムの操作を行なう工程から構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のシステム・機能を備えた電子機器に搭載される複数のアンテナの配置の設計方法及びこれを用いた電子機器に関するものである。

セルラーとＧＰＳの通信機能を備えたモジュールに用いられるアンテナの配置に関するものとしては、非特許文献１に記載されたようなものが知られている。この非特許文献１においては、セルラー用のアンテナとＧＰＳ用のアンテナの配置を大雑把に求める方法が記載されている。
日立金属技法Ｖｏｌ．２０（２００４）

しかし、上記従来のセルラー用のアンテナとＧＰＳ用のアンテナの配置の最適化を図るにも相当の時間を要していた。さらに、これらに加えてＦＭの機能も備えた通信モジュールが搭載されると、周波数が相当離れたものが混在することになる。これらを互いの電波の干渉も考慮しながら最適な配置で設計しようとすると気が遠くなるような設計時間が必要となる。仮に、アンテナを置く配置の候補を１０箇所に固定したとしても、３種類のアンテナを配置する組み合わせは１０×９×８＝７２０通りとなる。さらに、アンテナは取り付ける基板の位置によって特性が大きく変化するため、アンテナ単体の優れた特性を維持し、かつ、互いの電波の干渉も小さくなるような設計の指針が立てづらいばかりか、設計に膨大な時間を要するという課題を有していた。

本発明は上記課題を解決するもので、複数のアンテナを内蔵した電子機器におけるアンテナの配置の最適設計に要する時間を著しく短縮した設計方法及びこの設計方法を用いて設計されたアンテナを搭載した電子機器を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の発明は、複数のアンテナが搭載される電子機器のアンテナの配置の設計方法であって、前記複数のアンテナの形状を固定し、前記各アンテナを含む所定の解析領域の大きさと配置を決定する第１の工程と、候補となる前記各アンテナの配置の数を基にｂｉｔ長を決定する第２の工程と、この第２の工程で決定したｂｉｔ長に収まる範囲でランダムなｂｉｔ列情報を生成する第３の工程と、この第３の工程で生成したｂｉｔ列情報を基に電磁界シミュレーションを行なうことにより、前記各アンテナのアンテナ特性を算出する第４の工程と、目標とする各アンテナのアンテナ特性と前記第４の工程で電磁界シミュレーションにより算出された各アンテナのアンテナ特性を基に適応度を計算する第５の工程と、この第５の工程で求めた適応度を基に収束条件が満たされているかを判定する第６の工程と、前記収束条件が満たされた場合には前記第６の工程で終了し、前記収束条件が満たされていない場合には、適応度を考慮して遺伝的アルゴリズムに基づく所定の操作を行なう第７の工程とをさらに有し、前記収束条件を満足するまで前記第４〜第７の工程を繰り返すことを特徴とするアンテナの配置の設計方法であり、従来設計指針が立てづらかった複数のアンテナが存在するような場合の設計を自動で且つ最適に行うことができるため、最適設計に要する時間を著しく短縮できるという作用効果を有する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、第５の工程において目標とする各アンテナのアンテナ特性には、Ｓパラメータを用いた請求項１に記載のアンテナの配置の設計方法であり、より重要な評価項目に限定したことにより、最適化に要する時間をさらに短縮することができる作用効果を有する。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、第５の工程において目標とする各アンテナのアンテナ特性には、放射特性を用いた請求項１に記載のアンテナの配置の設計方法であり、アンテナの指向性を考慮しながらも、最適化に要する時間を短縮することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、第１の工程において、解析領域の配置の候補の数を２の累乗とした請求項１に記載のアンテナの配置の設計方法であり、候補の数を２の累乗とすることで、全く意味をもたない遺伝子情報が生成されることが無くなるので、計算効率を向上することができる作用効果を有する。

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、第３の工程において、複数のアンテナのそれぞれ単体時の各配置における電磁界シミュレーションを事前に行ない、その結果を基に反射特性の順位付けを行ない、この順位付けの結果をｂｉｔ列生成の際に考慮した請求項１に記載のアンテナの配置の設計方法であり、アンテナ単体の特性として最も重要な評価項目の結果が維持された遺伝子情報が残る確率を高くすることにより、複数のアンテナの良好な特性を満足する最適配置をより短期間に決定することができるという作用効果を有する。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、順位付けの数は、アンテナの数以上としているため、一方のアンテナにおける最良な場所が他方のアンテナにおける最良な場所の候補となってしまう場合に有効な初期値を必ず設定することができるという作用効果を有する。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６の設計方法を用いて決定した複数のアンテナの最適配置を初期値として、さらに局所探索法を用いて前記複数のアンテナの配置の最適化を行なう工程を備えたアンテナの配置の設計方法であり、より最適解に近い値を得ることができるという作用効果を有する。

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７に記載のアンテナの配置の設計方法を用いて設計されたアンテナが搭載された電子機器であり、その電子機器内部において各アンテナの優れた特性を維持し、複数の優れた通信環境を最適化させるという作用効果を有する。

本発明のアンテナの配置の設計方法は、複数のアンテナが搭載される電子機器のアンテナの配置の設計方法であって、前記複数のアンテナの形状を固定し、前記各アンテナを含む所定の解析領域の大きさと配置を決定する第１の工程と、候補となる前記各アンテナの配置の数を基にｂｉｔ長を決定する第２の工程と、この第２の工程で決定したｂｉｔ長に収まる範囲でランダムなｂｉｔ列情報を生成する第３の工程と、この第３の工程で生成したｂｉｔ列情報を基に電磁界シミュレーションを行なうことにより、前記各アンテナのアンテナ特性を算出する第４の工程と、目標とする各アンテナのアンテナ特性と前記第４の工程で電磁界シミュレーションにより算出された各アンテナのアンテナ特性を基に適応度を計算する第５の工程と、この第５の工程で求めた適応度を基に収束条件が満たされているかを判定する第６の工程と、前記収束条件が満たされた場合には前記第６の工程で終了し、前記収束条件が満たされていない場合には、適応度を考慮して遺伝的アルゴリズムに基づく所定の操作を行なう第７の工程とをさらに有し、前記収束条件を満足するまで前記第４〜第７の工程を繰り返すことを特徴とするアンテナの配置の設計方法であり、従来設計指針が立てづらかった複数のアンテナが存在するような場合の設計を自動で且つ最適に行うことができるため、最適設計に要する時間を著しく短縮できる。

また、本発明の電子機器は、前記アンテナの配置の設計方法を用いて設計されたアンテナが搭載されているため、その電子機器内部において各アンテナの優れた特性を維持し、複数の優れた通信環境を最適化させることができる。

本発明の一実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるアンテナの配置の設計方法を説明する工程図、図２は同工程図の第１の工程（Ｓ１）におけるアンテナを含む所定の解析領域の概念図、図３は同工程図の第１の工程（Ｓ１）におけるアンテナの配置の候補を説明する概念図、図４は図３に示すアンテナの配置への番号の割当てを説明する概念図、図５は同工程図の第２の工程（Ｓ２）におけるｂｉｔ長を決定するための各アンテナで用意する配列の概念図、図６は図５に示した各配列を合成して、全配列を作成する方法を説明する概念図、図７は同工程図の第３の工程（Ｓ３）におけるｂｉｔ列情報を生成する方法を説明する概念図である。

図２〜図４において、１はセルラー用のアンテナ、２は解析領域、３は電子機器としての携帯電話に内蔵される回路基板である。

図１において、アンテナの配置の設計方法の全工程を以下に概説する。図１において、全工程はアンテナ形状を固定し、このアンテナを含む所定の解析領域の大きさと位置を決定する第１の工程（Ｓ１）と、候補となる各アンテナの配置の数を基にｂｉｔ長を決定する第２の工程（Ｓ２）と、この第２の工程で決定したｂｉｔ長に収まる範囲でランダムなｂｉｔ列情報を生成する第３の工程（Ｓ３）と、この第３の工程（Ｓ３）で生成したｂｉｔ列情報を基に電磁界シミュレーションを行なうことにより、各アンテナのアンテナ特性を算出する第４の工程（Ｓ４）と、目標とする各アンテナのアンテナ特性と第４の工程（Ｓ４）で電磁界シミュレーションにより算出された各アンテナのアンテナ特性を基に適応度を計算する第５の工程（Ｓ５）と、この第５の工程（Ｓ５）で求めた適応度を基に収束条件が満たされているかを判定する第６の工程（Ｓ６）と、この収束条件が満たされた場合には第６の工程（Ｓ６）で終了する工程（Ｆ１）とからなる第１のアルゴリズムからなる。また、第５の工程（Ｓ５）で求めた適応度を基に収束条件が満たされているかを判定する第６の工程（Ｓ６）で、この収束条件が満たされていない場合には、適応度を考慮して遺伝的アルゴリズムに基づく所定の操作を行なう第７の工程（Ｓ７）と、この第７の工程（Ｓ７）での所定の操作を実施し、予め設定しておいた世代数を超えていないかどうかを判定する第８の工程（Ｓ８）と、この判定条件を満足する場合は、第４の工程（Ｓ４）から第７の工程（Ｓ７）を繰り返し、第６の工程（Ｓ６）に示す収束条件が満たされているかどうかを判定し、満足している場合は終了させる工程（Ｆ１）を有し、前記収束条件を満足しない場合は、さらに第７の工程（Ｓ７）を実施し、第８の工程（Ｓ８）に示す世代数を超えている場合（すなわち最適設計に要する所定の計算時間を超える）は、計算を終了させる工程（Ｆ２）とからなる第２のアルゴリズムからなる。

次に、各工程に関して以下に詳しく述べる。まず、第１の工程（Ｓ１）は、図２に示すようにセルラー用のアンテナ１（アンテナ１と称す）、ＧＰＳ用のアンテナ（図示せず、アンテナ２と称す）とＦＭ用のアンテナ（図示せず、アンテナ３と称す）に関して、それぞれ所定の解析領域２の大きさを決定し、この決定した解析領域２の大きさを保ったまま、アンテナ１、アンテナ２（図示せず）とアンテナ３（図示せず）に対する、全配置の候補を決定する（図３に示す）。この例では、１６個の配置の候補数を設定した。次に、図３に示す１６個のアンテナの配置の候補に、それぞれ１０進数で（０）から順番に（１５）までの番号を割り振っていく（図４に示す）。

次に、第２の工程（Ｓ２）において、図４に示す１０進数で表現した（０）から（１５）までの配置を２進数で再表現するように、各アンテナ毎に４桁からなるｂｉｔ長を決定する（図５参照）。さらに、４桁からなるｂｉｔ長／アンテナ×アンテナ数（この例では３個）＝１２桁からなるｂｉｔ長の合体した配列が用意される（図６参照）。ここで、４桁からなるｂｉｔ長を区間と呼ぶことにする。このようにアンテナの配置の候補の数を２の累乗とすることで、後述するように余分なｂｉｔ列情報が生成されないため、計算効率を上げることができる。

次に、第３の工程（Ｓ３）において、図６に示す合体した１２個の配列に収まる範囲で乱数を用いてランダムなｂｉｔ列情報を生成する（図７参照）。ここで、異なる区間において同じｂｉｔ列情報が存在する場合には、同じ場所に複数のアンテナが存在するということになってしまうため、ｂｉｔ列情報を生成する場合には、全ての区間のｂｉｔ列情報が異なるようにする。

次に、第４の工程（Ｓ４）において、第３の工程（Ｓ３）で生成したｂｉｔ列情報を基に電磁界シミュレーションを行なう。

次に、第５の工程（Ｓ５）において、目標とする各アンテナ１，２，３のアンテナ特性と第４の工程（Ｓ４）で電磁界シミュレーションにより算出された各アンテナ１，２，３のアンテナ特性を基に、適応度を計算する。ここで、適応度の計算には、問題に応じた適応度関数を用意する必要がある。適応度関数を作成するのに先立ち目的関数を作成する必要がある。目的関数の中には評価したい特性を含むわけであるが、ここではある周波数帯のＳパラメータに注目することとする。本発明は、各アンテナ１，２，３のそれぞれ単体の特性が良好で、且つ他のアンテナからの影響を受けにくい各アンテナ１，２，３の最適な配置を短期間に設計できることを目指している。従って、各アンテナ１，２，３の反射特性Ｓ₁₁，Ｓ₂₂，Ｓ₃₃が小さく、通過特性Ｓ₁₂，Ｓ₁₃，Ｓ₂₃が小さいものが望ましい。このような観点から、Ｓ₁₁，Ｓ₂₂，Ｓ₃₃，Ｓ₁₂，Ｓ₁₃，Ｓ₂₃を全て含むような目的関数を作成し、さらにこの目的関数が負になる可能性もあるため、シグモイド関数を用いて適応度関数を
ｆ（ｇ）＝１／（１＋ｅ^g）……（式１）
ｇ：目的関数
とおき、これを基に適応度の計算を行なう。

次に、第６の工程（Ｓ６）において、予め設定しておいた収束条件を満たしていれば計算を終了し（図１中のＦ１）、満たしていなければ次工程である第７の工程（Ｓ７）へと移行する。ここで、この条件分岐により計算が終了した場合には、最適解が求まったことを意味する。Ｓ６に示す収束条件は
・個体集団中の最大適応度＞閾値
・個体集団の平均適応度＞閾値
などが考えられる。ここで、閾値を大きくするほど、最適解を得られる確率は高くなるが、計算時間が増大する。

次に、第７の工程（Ｓ７）において、遺伝的アルゴリズムに基づく操作（例えば、選択操作、交叉操作、突然変異操作を含む）を行ない、母集団の更新を行なう。ここで、第３の工程（Ｓ３）の時と同様に、ｂｉｔ列情報を生成する場合には全ての区間のｂｉｔ列情報が異なるようにする。ここで、第７の工程（Ｓ７）の操作が終了すると世代を一世代進ませる。

次に、第８の工程（Ｓ８）において、予め設定しておいた世代数を超えていれば計算を終了し（図１中のＦ２）、超えていなければ再度第４の工程（Ｓ４）に戻り、同様の操作を繰り返す。

これにより、電子機器内部において各アンテナの優れた特性を維持し、複数の優れた通信環境が最適化された電子機器が実現できる。

本実施の形態においては、アンテナ特性におけるＳパラメータに着目した例について説明してきたが、これに限定されるものではなく、放射特性を目標に定めて適応度の計算を行なうことも可能である。このようにすることで、アンテナの指向性を考慮しながらも、最適化に要する時間を短縮することができる。

また、本実施の形態においては、電子機器として携帯電話に関する例について説明したが、これに限定されることなく様々な電子機器においても適用できるものである。

（実施の形態２）
図８は本発明の実施の形態２におけるアンテナの配置の設計方法を説明する工程図、図９は同工程図の第９の工程（Ｓ９）に示す電磁界シミュレーションに基づく第１０の工程（Ｓ１０）における各アンテナの反射特性の順位付けを説明するための説明図、図１０は第１０の工程（Ｓ１０）に示す各アンテナの反射特性の順位付けの結果に基づいてｂｉｔ列情報を生成するための制約情報を２進数で表示する工程を説明する説明図、図１１は図１０に示す制約情報に乱数を用いて最終のｂｉｔ列情報を生成する工程を説明するための説明図である。本実施の形態において、図１に示すアンテナの配置の設計方法を説明する工程図と同一の工程に関しては同一の符号を付与して詳細な説明を省略し、異なる工程の部分に関してのみ詳述する。

図８に示す第９の工程（Ｓ９）において、図４に示す番号（０）から（１５）の位置に全てアンテナ１が存在する場合の電磁界シミュレーションを行なう。同様に、図４に示す番号（０）から（１５）の配置にそれぞれ全てアンテナ２またはアンテナ３が存在する場合の電磁界シミュレーションを行なう。すなわち、この例では合計４８種類の電磁界シミュレーションを行なうことになる。

次に、第１０の工程（Ｓ１０）において、第９の工程（Ｓ９）で行なった電磁界シミュレーションの結果を基に順位付けを行なう。ここでは所望の周波数の反射特性が小さいものから順に順位付けを行なう。ここで上位何種類を基に優先的に遺伝子情報を作るかについては、すべてのアンテナにおいて上位となる配置が存在しても問題がないように、候補となるアンテナの数と同数、もしくはそれ以上とするのが望ましい。今回の場合、アンテナの種類が３種類であるので、図９に示すように上位３つの情報を記録しておく。

次に、第３の工程（Ｓ３）において第２の工程（Ｓ２）で用意した配列に収まる範囲でｂｉｔ列情報を生成する。ここでは第１世代の個体数を１００とする。ここでｂｉｔ列情報を作成する際には、第１０の工程（Ｓ１０）において順位付けされたものの上位を含むｂｉｔ列情報を優先的に生成するようにする。具体的には各アンテナ１，２，３の上位となる配置番号を２進数に変換し、図１０に示すようにそれぞれのアンテナ１，２，３に相当する区間に制約情報として挿入する。さらに、図１０に示す制約情報以外の部分に関しては、図１１に示すように乱数を用いて最終のｂｉｔ列情報を生成する。図１１に示す例では一つの制約条件につき５種類のｂｉｔ列情報を生成している。すなわち、５×９＝４５種類のｂｉｔ列情報が生成されることになる。ここで前述したように第１世代の個体数は１００としているため、残りの５５個体については、制約情報を与えず乱数を用いて生成する。ここで、異なる区間において同じｂｉｔ列情報が存在する場合には、同じ場所に複数のアンテナが存在するということになってしまうため、ｂｉｔ列情報を生成する場合には、全ての区間のｂｉｔ列情報が異なるようにする。

（実施の形態３）
さらに、実施の形態１、実施の形態２で述べたアンテナの配置の設計方法を用いて、図１または図８に示す第６の工程（Ｓ６）の収束条件を満足し計算を終了する工程（Ｆ１）から得られた３個のアンテナの最適配置を初期値として、局所探索法（例えば、最大勾配法、最適勾配法、共役勾配法、Newton-Raphson法など）を用いて、３個のアンテナの配置のより最適解に近い値を短時間で得ることができる。

本発明は、複数のアンテナを内蔵した電子機器におけるアンテナの配置の最適設計に要する時間を著しく短縮したアンテナの配置の設計方法及びこの設計方法を用いて配置されたアンテナを搭載した電子機器として有用である。

本発明の実施の形態１におけるアンテナの配置の設計方法を説明する工程図第１の工程（Ｓ１）におけるアンテナを含む所定の解析領域の概念図第１の工程（Ｓ１）におけるアンテナの配置の候補を説明する概念図図３に示すアンテナの配置への番号の割当てを説明する概念図第２の工程（Ｓ２）におけるｂｉｔ長を決定するための各アンテナで用意する配列の概念図図５に示した各配列を合成して、全配列を作成する方法を説明する概念図第３の工程（Ｓ３）におけるｂｉｔ列情報を生成する方法を説明する概念図本発明の実施の形態２におけるアンテナの配置の設計方法を説明する工程図各アンテナの反射特性の順位付けを説明するための説明図同順位付けの結果に基づいてｂｉｔ列情報を生成するための制約情報を２進数で表示する工程を説明する説明図図１０に示す制約情報に乱数を用いて最終のｂｉｔ列情報を生成する工程を説明するための説明図

符号の説明

１セルラー用アンテナ
２解析領域
３回路基板

Claims

複数のアンテナが搭載される電子機器のアンテナの配置の設計方法であって、前記複数のアンテナの形状を固定し、前記各アンテナを含む所定の解析領域の大きさと配置を決定する第１の工程と、候補となる前記各アンテナの配置の数を基にｂｉｔ長を決定する第２の工程と、この第２の工程で決定したｂｉｔ長に収まる範囲でランダムなｂｉｔ列情報を生成する第３の工程と、この第３の工程で生成したｂｉｔ列情報を基に電磁界シミュレーションを行なうことにより、前記各アンテナのアンテナ特性を算出する第４の工程と、目標とする各アンテナのアンテナ特性と前記第４の工程で電磁界シミュレーションにより算出された各アンテナのアンテナ特性を基に適応度を計算する第５の工程と、この第５の工程で求めた適応度を基に収束条件が満たされているかを判定する第６の工程と、前記収束条件が満たされた場合には前記第６の工程で終了し、前記収束条件が満たされていない場合には、適応度を考慮して遺伝的アルゴリズムに基づく所定の操作を行なう第７の工程とをさらに有し、前記収束条件を満足するまで前記第４〜第７の工程を繰り返すことを特徴とするアンテナの配置の設計方法。
第５の工程において目標とする各アンテナのアンテナ特性には、Ｓパラメータを用いた請求項１に記載のアンテナの配置の設計方法。
第５の工程において目標とする各アンテナのアンテナ特性には、放射特性を用いた請求項１に記載のアンテナの配置の設計方法。
第１の工程において、解析領域の配置の候補の数を２の累乗とした請求項１に記載のアンテナの配置の設計方法。
第３の工程において、複数のアンテナのそれぞれ単体時の各配置における電磁界シミュレーションを事前に行ない、その結果を基に反射特性の順位付けを行ない、この順位付けの結果をｂｉｔ列生成の際に考慮した請求項１に記載のアンテナの配置の設計方法。
順位付けの数は、アンテナの数以上とした請求項５に記載のアンテナの配置の設計方法。
請求項１乃至６の設計方法を用いて決定した複数のアンテナの最適配置を初期値として、さらに局所探索法を用いて前記複数のアンテナの配置の最適化を行なう工程を備えたアンテナの配置の設計方法。
請求項１乃至７に記載のアンテナの配置の設計方法を用いて設計されたアンテナが搭載された電子機器。