JP4512496B2 - Antenna optimum design method, program, and antenna - Google Patents
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Description
本発明は、ロッド型アンテナの構造を設計するためのアンテナ最適設計方法、当該アンテナ最適設計方法を実施するためのプログラム及び当該アンテナ最適設計方法によって設計されたアンテナに関する。 The present invention relates to an antenna optimum design method for designing the structure of a rod-type antenna, a program for implementing the antenna optimum design method, and an antenna designed by the antenna optimum design method.
近年、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ：Ｇｅｎｅｔｉｃ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ）を用いて、３次元構造のメアンダライン型アンテナの構造を設計するためのアンテナ最適設計方法が検討されている（例えば、非特許文献１参照）。 In recent years, an antenna optimum design method for designing the structure of a three-dimensional meander line type antenna using a genetic algorithm (GA) has been studied (see, for example, Non-Patent Document 1).
具体的には、図２４に示すように、かかるアンテナ最適設計方法は、予めアンテナのラインの高さｈｉ及び幅Ｗｉ（パラメータ）を決定する工程と、高さｈｉ及び幅Ｗｉを用いて染色体を構成する工程と、遺伝的アルゴリズムを用いて高さｈｉ及び幅Ｗｉの最適化を図る工程と有する。
しかしながら、従来のアンテナ最適設計方法は、予めアンテナの初期構造を限定した上でパラメータを最適化するものであるので、アンテナの任意構造を最適解として導くことができないという問題点があった。 However, since the conventional antenna optimum design method optimizes parameters after limiting the initial structure of the antenna in advance, there is a problem that an arbitrary structure of the antenna cannot be derived as an optimum solution.
そこで、本発明は、以上の点に鑑みてなされたもので、予めアンテナの初期構造を限定することなく最適なアンテナの構造を設計することがアンテナ最適設計方法、当該アンテナ最適設計方法を実施するためのプログラム及び当該アンテナ最適設計方法によって設計されたアンテナを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above points, and it is possible to design an optimum antenna structure without limiting the initial structure of the antenna in advance, and to implement the antenna optimum design method and the antenna optimum design method. It is an object of the present invention to provide an antenna designed by the program and the antenna optimum design method.
本発明の第１の特徴は、ロッド型アンテナの構造を設計するためのアンテナ最適設計方法であって、多角柱又は円柱によって前記ロッド型アンテナを構成する工程と、前記多角柱又は前記円柱の側面上にアンテナ素子パターンを生成する工程と、遺伝的アルゴリズム又はランダムサーチ法を用いて、前記ロッド型アンテナのアンテナ特性が最適となる前記アンテナ素子パターンを探索する工程とを有することを要旨とする。 A first feature of the present invention is an antenna optimum design method for designing a structure of a rod type antenna, the step of configuring the rod type antenna by a polygonal column or a column, and a side surface of the polygonal column or the column. The present invention includes a step of generating an antenna element pattern and a step of searching for the antenna element pattern that optimizes the antenna characteristics of the rod-type antenna using a genetic algorithm or a random search method.
本発明の第１の特徴において、前記アンテナ素子パターンを生成する工程が、前記多角柱又は前記円柱の側面を所定形状に分割することによってブロックを生成する工程と、前記ブロックにおける金属パッチの配置方法を決定する染色体を該ブロックに割り当てる工程とを有し、前記アンテナ素子パターンを探索する工程が、前記染色体によって一意に決まる前記アンテナ特性を算出する工程と、遺伝的アルゴリズムによって、前記アンテナ特性が最適となるように各ブロックに割り当てられる最適な前記染色体を探索する工程とを有してもよい。 1st characteristic of this invention WHEREIN: The process of producing | generating the said antenna element pattern produces | generates a block by dividing | segmenting the side surface of the said polygonal column or the said cylinder into a predetermined shape, and the arrangement | positioning method of the metal patch in the said block Assigning to the block a chromosome for determining the antenna element pattern, the step of searching for the antenna element pattern calculating the antenna characteristic uniquely determined by the chromosome, and a genetic algorithm to optimize the antenna characteristic And searching for an optimal chromosome to be assigned to each block.
本発明の第１の特徴において、前記アンテナ素子パターンを生成する工程が、前記多角柱又は前記円柱の側面を所定形状に分割することによってブロックを生成する工程と、生成された前記ブロックの１ブロックおきに基準点ブロックを設定する工程と、前記基準点ブロックに対して１辺で隣接するブロックにおける金属パッチの配置方法を決定する染色体を、該基準点ブロックに割り当てる工程とを有し、前記アンテナ素子パターンを探索する工程が、遺伝的アルゴリズムによって、前記アンテナの特性が最適となるように、各基準点ブロックに割り当てられる最適な前記染色体を探索する工程とを有してもよい。 1st characteristic of this invention WHEREIN: The process of producing | generating the said antenna element pattern produces | generates a block by dividing | segmenting the side surface of the said polygonal column or the said cylinder into a predetermined shape, and 1 block of the produced | generated block A step of setting a reference point block every other step, and a step of assigning to the reference point block a chromosome for determining a metal patch arrangement method in a block adjacent on one side to the reference point block, the antenna The step of searching for an element pattern may include a step of searching for the optimal chromosome assigned to each reference point block so that the characteristics of the antenna are optimized by a genetic algorithm.
本発明の第２の特徴は、上述のアンテナ最適設計方法を実施するためのプログラムであることを要旨とする。また、本発明の第３の特徴は、上述のアンテナ最適設計方法によって設計されたアンテナであることを要旨とする。 The gist of the second feature of the present invention is a program for carrying out the above-described antenna optimum design method. The gist of the third feature of the present invention is that the antenna is designed by the above-described antenna optimum design method.
以上説明したように、本発明によれば、予めアンテナの初期構造を限定することなく最適なアンテナの構造を設計することがアンテナ最適設計方法、当該アンテナ最適設計方法を実施するためのプログラム及び当該アンテナ最適設計方法によって設計されたアンテナを提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to design an optimum antenna structure without limiting the initial antenna structure in advance, an antenna optimum design method, a program for executing the antenna optimum design method, and the An antenna designed by an antenna optimum design method can be provided.
＜第１の実施形態＞
図１乃至図６を参照して、本発明の第１の実施形態に係るアンテナ最適設計方法について説明する。
<First Embodiment>
The antenna optimum design method according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図１は、本実施形態に係るアンテナ最適設計方法によって設計されたロッド型アンテナ（例えば、ヘリカルアンテナやモノポールアンテナ等）の構造を示す模式図である。 FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of a rod-type antenna (for example, a helical antenna or a monopole antenna) designed by the antenna optimum design method according to the present embodiment.
なお、本実施形態に係るアンテナ最適設計方法によって設計されたロッド型アンテナ１０は、図１に示すように、給電点４０を介して、無限大の大きさを有する地板２０に接続されている。また、本実施形態に係るアンテナ最適設計方法によって設計されたロッド型アンテナ１０は、多角柱又は円柱で構成されており、その側面上にアンテナ素子パターンが生成されている。 The rod-type antenna 10 designed by the antenna optimum design method according to the present embodiment is connected to a ground plane 20 having an infinite size via a feeding point 40 as shown in FIG. Moreover, the rod type antenna 10 designed by the antenna optimum design method according to the present embodiment is configured by a polygonal column or a cylinder, and an antenna element pattern is generated on the side surface thereof.
図２乃至図５を参照して、本実施形態に係るアンテナ最適設計方法によってロッド型アンテナ１０を設計する動作について説明する。 With reference to FIG. 2 thru | or FIG. 5, the operation | movement which designs the rod type antenna 10 by the antenna optimal design method which concerns on this embodiment is demonstrated.
図２に示すように、ステップＳ１００１において、本動作は、多角柱又は円柱によってロッド型アンテナ１０を構成する（図３（ａ）参照）。 As shown in FIG. 2, in step S1001, in this operation, the rod-shaped antenna 10 is configured by a polygonal column or a cylinder (see FIG. 3A).
ステップＳ１００２において、本動作は、携帯端末の筐体５０の上に設置されるロッド型アンテナ１０の側面を平面に展開する（図３（ｂ）参照）。 In step S1002, this operation expands the side surface of the rod antenna 10 installed on the casing 50 of the mobile terminal into a plane (see FIG. 3B).
ステップＳ１００３において、本動作は、展開された平面（多角柱又は円柱の側面）上にアンテナ素子パターン３０を生成する（図３（ｃ）参照）。以下、図４を参照して、ステップＳ１００３の具体的な動作について説明する。 In step S1003, this operation generates the antenna element pattern 30 on the developed plane (side surface of a polygonal column or cylinder) (see FIG. 3C). Hereinafter, the specific operation of step S1003 will be described with reference to FIG.
図４に示すように、ステップＳ２００１において、本動作は、展開された平面を所定形状（例えば、縦方向の２以上に分割し、かつ、横方向の２以上に）に分割することによってブロックを生成する。なお、展開された平面は、初期状態において、その表面が金属パッチ（金属面）によって覆われているものと仮定する。 As shown in FIG. 4, in step S2001, this operation is performed by dividing the developed plane into predetermined shapes (for example, dividing into two or more in the vertical direction and two or more in the horizontal direction). Generate. It is assumed that the developed plane is covered with a metal patch (metal surface) in the initial state.
ステップＳ２００２において、本動作は、生成された各ブロックに対して染色体（「０」又は「１」の１ビット）を割り当てる。 In step S2002, this operation assigns a chromosome (1 bit of “0” or “1”) to each generated block.
ステップＳ２００３において、本動作は、割り当てられた染色体に基づいて、各ブロックにおける金属パッチの配置方法を決定する。例えば、染色体「０」が割り当てられている各ブロックにおける金属パッチが削除されるように構成されており、染色体「０」が割り当てられている各ブロックにおける金属パッチが削除されないように構成されている。 In step S2003, this operation determines a metal patch placement method in each block based on the assigned chromosome. For example, the metal patch in each block to which the chromosome “0” is assigned is configured to be deleted, and the metal patch in each block to which the chromosome “0” is assigned is configured not to be deleted. .
図２に戻って、ステップＳ１００４において、本動作は、遺伝的アルゴリズム又はランダムサーチ法を用いて、ロッド型アンテナ１０のアンテナ特性が最適となるアンテナ素子パターンを探索する（図３（ｄ）参照）。以下、図５を参照して、ステップＳ１００４の具体的な動作について説明する。 Returning to FIG. 2, in step S1004, this operation searches for an antenna element pattern in which the antenna characteristics of the rod-type antenna 10 are optimal using a genetic algorithm or a random search method (see FIG. 3D). . Hereinafter, the specific operation of step S1004 will be described with reference to FIG.
ここで、かかる遺伝的アルゴリズムに用いられる評価関数について説明する。なお、本実施形態において、ロッド型アンテナの特性として、３つの周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３におけるリターンロス特性及び利得特性を用いた。 Here, an evaluation function used in such a genetic algorithm will be described. In this embodiment, the return loss characteristic and the gain characteristic at the three frequencies f1, f2, and f3 are used as the characteristics of the rod antenna.
最初に、リターンロスの定義について説明する。一般に、反射係数Γは、式（１）で表現される。 First, the definition of return loss will be described. In general, the reflection coefficient Γ is expressed by Expression (1).
反射係数Γ＝｜Ｚｉｎ−Ｚ０｜／｜Ｚｉｎ＋Ｚ０｜ …（１）
ここで、Ｚｉｎは、入力インピーダンスであり、Ｚ０ は、伝送路の特性インピーダンスである。
Reflection coefficient Γ = | Z in −Z 0 | / | Z in + Z 0 | (1)
Here, Z in is an input impedance, and Z 0 is a characteristic impedance of the transmission line.
かかる反射係数Γを用いて表現したリターンロスＲＬＯＳＳを式（２）に示す。 The return loss RLOSS expressed using such a reflection coefficient Γ is shown in Equation (2).
ＲＬＯＳＳ＝-２０.０ｌｏｇ１０（Γ） …（２）
ここで、リターンロスＲＬＯＳＳは正の値であり、反射係数Γが小さいときにはリターンロスＲＬＯＳＳは大きくなり、反射係数Γが大きいときにはリターンロスＲＬＯＳＳは小さくなる。
RLOSS = −20.0 log10 (Γ) (2)
Here, the return loss RLOSS is a positive value. When the reflection coefficient Γ is small, the return loss RLOSS is large, and when the reflection coefficient Γ is large, the return loss RLOSS is small.
なお、所望とする３つの周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３の「リターンロス」を、それぞれ、ＲＬＯＳＳｆ１、ＲＬＯＳＳｆ２、ＲＬＯＳＳｆ３とし、所望とする３つの周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３の「利得」を、それぞれ、Ｇａｉｎｆ１、Ｇａｉｎｆ２、Ｇａｉｎｆ３とする。 The “return loss” of the desired three frequencies f1, f2, and f3 is RLOSS f1 , RLOSS f2 , and RLOSS f3 , respectively, and the “gain” of the three desired frequencies f1, f2, and f3 is respectively , Gain f1 , Gain f2 , and Gain f3 .
かかる場合、式（３）に、反射係数Γを小さくし（すなわち、リターンロスを大きくし、かつ、利得を小さくするための評価関数ＥＶＡＬを示す。なお、かかる評価関数ＥＶＡＬは、重み付き計数法を用いて生成されるものとする。 In such a case, equation (3) shows an evaluation function EVAL for reducing the reflection coefficient Γ (that is, increasing the return loss and reducing the gain. The evaluation function EVAL is a weighted counting method. It shall be generated using
ＥＶＡＬ＝ｗ１・Ｒｌｏｓｓｆ１＋ｗ２・ＲＬＯＳＳｆ２＋ｗ３・ＲＬＯＳＳｆ３＋ｗ４・Ｇａｉｎｆ１＋ｗ５・Ｇａｉｎｆ２＋ｗ６・Ｇａｉｎｆ３ …（３）
例えば、上述の第１及び第２の実施形態に係るアンテナ最適設計方法において、多周波共用アンテナを設計する場合のように、複数の相互に関連しあう条件に対して最適化を図る場合には、ある評価項目が所望特性を満たしたときは、他の所望特性を満たしていない評価項目に対して重みが強くなるように制約条件を持たせる方法が有効である。
EVAL = w1 · Rloss f1 + w2 · RLOSS f2 + w3 · RLOSS f3 + w4 · Gain f1 + w5 · Gain f2 + w6 · Gain f3 ... (3)
For example, in the antenna optimization design method according to the first and second embodiments described above, when optimization is performed for a plurality of mutually related conditions as in the case of designing a multi-frequency shared antenna. When a certain evaluation item satisfies the desired characteristic, a method of providing a constraint condition so that the evaluation item that does not satisfy the other desired characteristic has a strong weight is effective.
式（４）に、上述のような制約付重み係数法によって生成された評価関数ＥＶＡＬＣを示す。 Equation (4) shows the evaluation function EVALC generated by the constrained weighting coefficient method as described above.
ＥＶＡＬＣ＝ｗ１・ｍｉｎ（ＤＲＬｆ１，Ｒｌｏｓｓｆ１）＋ｗ２・ｍｉｎ（ＤＲＬｆ２，Ｒｌｏｓｓｆ２）＋ｗ３・ｍｉｎ（ＤＲＬｆ３，Ｒｌｏｓｓｆ３）＋ｗ４・ｍｉｎ（ＤＧｆ１，Ｇａｉｎｆ１）＋ｗ５・ｍｉｎ（ＤＧｆ２，Ｇａｉｎｆ２）＋ｗ６・ｍｉｎ（ＤＧｆ３，Ｇａｉｎｆ３） …（４）
式（４）において、ＤＲＬｆｉ（ｉ＝１〜３）は、周波数ｆｉにおける所望リターンロス特性であり、ＤＧｆｉ（ｉ＝１〜３）は、周波数ｆｉにおける所望利得である。
EVALC = w1 · min (DRL f1 , Rloss f1) + w2 · min (DRL f2, Rloss f2) + w3 · min (DRL f3, Rloss f3) + w4 · min (DG f1, Gain f1) + w5 · min (DG f2, Gain f2 ) + w6 · min (DG f3 , Gain f3 ) (4)
In Expression (4), DRL fi (i = 1 to 3) is a desired return loss characteristic at the frequency fi, and DG fi (i = 1 to 3) is a desired gain at the frequency fi.
３周波共用アンテナとしての条件を満たすために、３つの周波数においてそれぞれリターンロス及び利得を求め、最も特性の悪いものの重みを大きくすることによって、評価関数を所望値に近づける方法も考えられる。 In order to satisfy the conditions as a three-frequency shared antenna, a method of obtaining a return loss and a gain at each of three frequencies and increasing the weight of the one with the worst characteristics to bring the evaluation function closer to a desired value can be considered.
式（５）及び式（６）に、それぞれ、リターンロス特性及び利得特性に関する評価関数ＥＶＡＬＭ−ＲＬ及びＥＶＡＬＭ−Ｇを示す。 Expressions (5) and (6) show evaluation functions EVALM-RL and EVALM-G related to the return loss characteristic and the gain characteristic, respectively.
ＥＶＡＬＭ−ＲＬ＝ｍｉｎ（ｍｉｎ（ＤＲＬｆ１，Ｒｌｏｓｓｆ１），ｍｉｎ（ＤＲＬｆ２，Ｒｌｏｓｓｆ２），ｍｉｎ（ＤＲＬｆ３，Ｒｌｏｓｓｆ３）） …（５）
ＥＶＡＬＭ−Ｇ＝ｍｉｎ（ｍｉｎ（ＤＧｆ１，Ｇａｉｎｆ１），ｍｉｎ（ＤＧｆ２，Ｇａｉｎｆ２），ｍｉｎ（ＤＧｆ３，Ｇａｉｎｆ３） …（６）
また、式（７）に、評価関数ＥＶＡＬＣと評価関数ＥＶＡＬＭ−ＲＬと評価関数ＥＶＡＬＭ−Ｇとを組み合わせた評価関数ＥＶＡＬ２を示す。
EVALM−RL = min (min (DRL f1 , Rloss f1 ), min (DRL f2 , Rloss f2 ), min (DRL f3 , Rloss f3 )) (5)
EVALM-G = min (min ( DG f1, Gain f1), min (DG f2, Gain f2), min (DG f3, Gain f3) ... (6)
In addition, Expression (7) shows an evaluation function EVAL2 that combines the evaluation function EVALC, the evaluation function EVALM-RL, and the evaluation function EVALM-G.
ＥＶＡＬ２＝ＥＶＡＬＣ＋ｗ７・ＥＶＡＬＭ−ＲＬ＋ｗ８・ＥＶＡＬＭ−Ｇ …（７）
以下、図４を参照して、上述の評価関数ＥＶＡＬ２を用いた遺伝的アルゴリズムについて説明する。
EVAL2 = EVALC + w7.EVALM-RL + w8.EVALM-G (7)
Hereinafter, a genetic algorithm using the above-described evaluation function EVAL2 will be described with reference to FIG.
ステップＳ４００１において、本動作は、ランダムに染色体の初期集団を生成する。例えば、初期集団における染色体の数（人口）を５００とする。 In step S4001, this operation randomly generates an initial population of chromosomes. For example, the number of chromosomes (population) in the initial population is 500.
ステップＳ４００２において、本動作は、展開された平面を元に戻して、多角柱又は円柱によって構成されているロッド型アンテナ１０を形成して携帯端末の筐体５０に取り付けた後、モーメント法やＦＤＴＤ法等の電磁界解析手段によって、かかるロッド型アンテナ１０のアンテナ特性を算出する。なお、かかるアンテナ特性は、上述の染色体によって一意に決まるものである。 In step S4002, this operation returns the developed plane to the original shape, forms the rod-shaped antenna 10 constituted by a polygonal column or a cylinder, and attaches the rod-type antenna 10 to the housing 50 of the portable terminal. The antenna characteristics of the rod type antenna 10 are calculated by electromagnetic field analysis means such as a method. Such antenna characteristics are uniquely determined by the above-mentioned chromosome.
ステップＳ４００３において、本動作は、上述の評価関数ＥＶＡＬ２を用いて、各染色体に基づいて設計されたロッド型アンテナの特性について評価する。ここで、多周波共用アンテナにおいて、最も重要であると考えられるリターンロス特性に対する重みを、利得特性に対するよりも強くしている。 In step S4003, this operation evaluates the characteristics of the rod-type antenna designed based on each chromosome using the above-described evaluation function EVAL2. Here, in the multi-frequency shared antenna, the weight for the return loss characteristic considered to be the most important is made stronger than the gain characteristic.
ステップＳ４００４において、本動作は、上述の染色体の中から、評価の高い染色体を選択する。 In step S4004, this operation selects a highly evaluated chromosome from the above-described chromosomes.
ステップＳ４００５において、本動作は、交叉によって、複数（一般的には２つ）の染色体（親）から遺伝子を引き継ぐ新しい染色体（子）を生成する。ここで、交叉確率を０.４とし、２点交叉が用いられるものとする。 In step S4005, this operation generates a new chromosome (child) that inherits a gene from a plurality of (generally two) chromosomes (parent) by crossover. Here, it is assumed that the crossover probability is 0.4 and two-point crossover is used.
ステップＳ４００６において、本動作は、突然変異確率に基づいて、染色体の集団に対して突然変異処理を施す。ここで、突然変異確率を０.０１６とする。 In step S4006, this operation performs a mutation process on a population of chromosomes based on the mutation probability. Here, the mutation probability is set to 0.016.
ステップＳ４００７において、本動作は、当該遺伝的アルゴリズムの終了条件を満たしているか否かについて判定する。当該遺伝的アルゴリズムの終了条件を満たしていない場合、かかる終了条件が満たされるまで世代交代を繰り返す（すなわち、ステップＳ４００２乃至Ｓ４００６を繰り返す）。 In step S4007, this operation determines whether or not the termination condition of the genetic algorithm is satisfied. If the end condition of the genetic algorithm is not satisfied, the generation change is repeated until the end condition is satisfied (that is, steps S4002 to S4006 are repeated).
本動作は、上述の遺伝的アルゴリズムによって、アンテナ特性が最適となるように各ブロックに割り当てられる最適な染色体を探索することができる。 In this operation, the optimal chromosome assigned to each block can be searched by the above-described genetic algorithm so that the antenna characteristics are optimized.
本実施形態に係るアンテナ最適設計方法において、上述の評価関数ＥＶＡＬ２を用いて、９００ＭＨｚ、１.５ＧＨｚ、２.０ＧＨｚの３つの周波数で共振するという条件下で、最終的に形成されたロッド型アンテナにおけるリターンロス特性を、図６に示す。 In the antenna optimum design method according to the present embodiment, the rod-shaped antenna finally formed under the condition that the above-described evaluation function EVAL2 is used to resonate at three frequencies of 900 MHz, 1.5 GHz, and 2.0 GHz. FIG. 6 shows the return loss characteristics at.
本実施形態に係るアンテナ最適設計方法によれば、多周波共用化や広帯域化や小型化に関する設計条件を与えるだけで、ロッド型アンテナ１０の構造（アンテナ形状又はアンテナ素子パターン）について、予めアンテナの初期構造を限定することなく、最適解を導き出すことができる。 According to the antenna optimum design method according to the present embodiment, the structure of the rod-type antenna 10 (antenna shape or antenna element pattern) is preliminarily determined only by giving design conditions for multi-frequency sharing, broadbanding, and miniaturization. An optimal solution can be derived without limiting the initial structure.
＜第２の実施形態＞
図７乃至図１１を参照して、本発明の第２の実施形態に係るアンテナ最適設計方法について説明する。本発明の第２の実施形態に係るアンテナ最適設計方法は、アンテナ素子パターンの生成方法（図２におけるステップＳ１００３）を除いて、上述の第１の実施形態に係るアンテナ最適設計方法と同一である。以下、本発明の第２の実施形態に係るアンテナ最適設計方法について、上述の第１の実施形態に係るアンテナ最適設計方法との相違点を主として説明する。
<Second Embodiment>
The antenna optimum design method according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The antenna optimum design method according to the second embodiment of the present invention is the same as the antenna optimum design method according to the first embodiment described above, except for the antenna element pattern generation method (step S1003 in FIG. 2). . Hereinafter, the difference between the antenna optimum design method according to the second embodiment of the present invention and the antenna optimum design method according to the first embodiment will be mainly described.
図７は、本実施形態に係るアンテナ最適設計方法によって設計されたロッド型アンテナの構造を示す模式図である。図７に示すように、本実施形態に係るロッド型アンテナ１０の側面では、各ブロック同士が、１点ではなく１辺で隣接するように構成されている。 FIG. 7 is a schematic diagram showing the structure of a rod-type antenna designed by the antenna optimum design method according to the present embodiment. As shown in FIG. 7, on the side surface of the rod-type antenna 10 according to the present embodiment, the blocks are configured to be adjacent not on one point but on one side.
図８乃至図１０を参照して、本実施形態に係るアンテナ最適設計方法においてアンテナ素子パターンを生成する動作について説明する。 With reference to FIGS. 8 to 10, an operation for generating an antenna element pattern in the antenna optimum design method according to the present embodiment will be described.
図８に示すように、ステップＳ３００１において、本動作は、展開された平面上の金属パッチを、所定形状に（例えば、縦方向の３以上の奇数に分割し、かつ、横方向の３以上の奇数に）分割することによって、ブロックを生成する。例えば、図９（ｂ）に示すように、本動作は、展開された平面上の金属パッチをＮ×Ｍ個（図９の例では、１１×１１個）の長方形のブロックに分割する。 As shown in FIG. 8, in step S3001, this operation is performed by dividing the developed metal patch on the plane into a predetermined shape (for example, dividing it into odd numbers of 3 or more in the vertical direction and 3 or more in the horizontal direction). Generate blocks by dividing (odd). For example, as shown in FIG. 9B, this operation divides the developed metal patch on the plane into N × M rectangular blocks (11 × 11 in the example of FIG. 9).
ステップＳ３００２において、本動作は、生成されたブロックの１ブロックおきに基準点ブロックを設定し、当該基準点ブロックに染色体を割り当てる。例えば、図９（ｂ）に示すように、本動作は、生成されたブロックの１ブロックおきに、基準点ブロック（迷路生成アルゴリズムにおける「壁」）＃１乃至＃２１を作成し、当該基準点ブロック＃１乃至＃２１のそれぞれに対して、２ビット（４値）の染色体を割り当てる。 In step S3002, this operation sets a reference point block for every other generated block, and assigns a chromosome to the reference point block. For example, as shown in FIG. 9B, this operation creates reference point blocks (“walls” in the maze generation algorithm) # 1 to # 21 for every other generated block, and the reference points A 2-bit (4-value) chromosome is assigned to each of blocks # 1 to # 21.
ステップＳ３００３において、本動作は、当該基準点ブロックに位置する金属パッチを削除する。ステップＳ３００４において、本動作は、各基準点ブロック＃１乃至＃２１に割り当てられた染色体に基づいて、当該基準点ブロック＃１乃至＃２１に対して１辺で隣接するブロックにおける金属パッチの除去方法を決定する。そして、図９（ｃ）に示すように、本動作は、決定された除去方法に従って、各基準点ブロックの隣接ブロックの金属パッチを順次除去していくことによって、アンテナ素子面１００ｂにおけるメアンダラインを形成する。 In step S3003, this operation deletes the metal patch located in the reference point block. In step S3004, this operation is based on the chromosomes assigned to the reference point blocks # 1 to # 21, and the metal patch removal method for blocks adjacent to the reference point blocks # 1 to # 21 on one side. To decide. Then, as shown in FIG. 9C, in this operation, the meander line on the antenna element surface 100b is removed by sequentially removing the metal patches in the adjacent blocks of each reference point block according to the determined removal method. Form.
なお、他の基準点ブロックにおける染色体の指示によって既に金属パッチが除去されている隣接ブロックに対しては、金属パッチの除去処理を行わない。 It should be noted that the metal patch removal processing is not performed on the adjacent block from which the metal patch has already been removed by the instruction of the chromosome in another reference point block.
ここで、図１０を参照して、染色体によって上述の金属パッチの除去方法を指示する方法について説明する。以下、図１０（ａ）に示すように、展開された平面上で基準点ブロック＃１乃至＃２５が設定されているものとする。なお、かかる染色体に含まれ得る２ビットは、「００」、「０１」、「１０」、「１１」のいずれかである。 Here, with reference to FIG. 10, the method of instruct | indicating the removal method of the above-mentioned metal patch with a chromosome is demonstrated. Hereinafter, it is assumed that reference point blocks # 1 to # 25 are set on the developed plane as shown in FIG. The two bits that can be included in such a chromosome are any one of “00”, “01”, “10”, and “11”.
第１に、図１０（ｂ）を参照して、図１０（ａ）に示す基準点ブロックのうち、一番左の列における基準点ブロック＃１乃至＃５に割り当てられた染色体の場合について説明する。 First, with reference to FIG. 10 (b), a description will be given of the case of chromosomes assigned to the reference point blocks # 1 to # 5 in the leftmost column among the reference point blocks shown in FIG. 10 (a). To do.
かかる場合、図１０（ｂ）に示すように、基準点ブロックに対して「００」の染色体が割り当てられていると、当該基準点ブロックに隣接するブロックＡにおける金属パッチが除去される。 In this case, as shown in FIG. 10B, when the chromosome of “00” is assigned to the reference point block, the metal patch in the block A adjacent to the reference point block is removed.
また、基準点ブロックに対して「０１」の染色体が割り当てられていると、当該基準点ブロックに隣接するブロックＢにおける金属パッチが除去される。 Further, when the chromosome “01” is assigned to the reference point block, the metal patch in the block B adjacent to the reference point block is removed.
また、基準点ブロックに対して「１０」の染色体が割り当てられていると、当該基準点ブロックに隣接するブロックＣにおける金属パッチが除去される。 Further, when the chromosome “10” is assigned to the reference point block, the metal patch in the block C adjacent to the reference point block is removed.
さらに、基準点ブロックに対して「１１」の染色体が割り当てられていると、当該基準点ブロックに隣接するブロックＤにおける金属パッチが除去される。 Furthermore, when the chromosome “11” is assigned to the reference point block, the metal patch in the block D adjacent to the reference point block is removed.
第２に、図１０（ｃ）及び（ｄ）を参照して、その他の基準点ブロック＃６乃至＃２５に割り当てられた染色体の場合について説明する。 Secondly, with reference to FIGS. 10C and 10D, the case of chromosomes assigned to other reference point blocks # 6 to # 25 will be described.
かかる場合、図１０（ｃ）及び（ｄ）に示すように、基準点ブロックに対して「００」の染色体が割り当てられている場合、当該基準点ブロックに隣接するブロックＡにおける金属パッチが除去される。 In such a case, as shown in FIGS. 10C and 10D, when the chromosome of “00” is assigned to the reference point block, the metal patch in the block A adjacent to the reference point block is removed. The
また、基準点ブロックに対して「１０」の染色体が割り当てられていると、当該基準点ブロックに隣接するブロックＣにおける金属パッチが除去される。 Further, when the chromosome “10” is assigned to the reference point block, the metal patch in the block C adjacent to the reference point block is removed.
さらに、基準点ブロックに対して「１１」の染色体が割り当てられていると、当該基準点ブロックに隣接するブロックＤにおける金属パッチが除去される。 Furthermore, when the chromosome “11” is assigned to the reference point block, the metal patch in the block D adjacent to the reference point block is removed.
なお、基準点ブロックに対して「１０」の染色体が割り当てられている場合は、図１０（ｃ）に示すように、当該基準点ブロックに隣接する全てのブロックにおける金属パッチが除去されないように構成されていてもよいし、また、図１０（ｄ）に示すように、当該基準点ブロックに隣接するブロックＡ（Ｃ又はＤであってもよい）における金属パッチが除去されるように構成されていてもよい。 In addition, when the chromosome of “10” is assigned to the reference point block, as shown in FIG. 10C, the configuration is such that the metal patches in all the blocks adjacent to the reference point block are not removed. Further, as shown in FIG. 10 (d), the metal patch in the block A (which may be C or D) adjacent to the reference point block is removed. May be.
なお、本実施形態では、給電点４０に接続される部分（図１０（ａ）に示すブロックＢ５）は、金属パッチが除去されること無く常に設置されているように構成されている。 In the present embodiment, the portion connected to the feed point 40 (block B5 shown in FIG. 10A) is configured to be always installed without removing the metal patch.
ステップＳ３００１乃至Ｓ３００４によって形成されたロッド型アンテナの側面では、全てのブロックが、頂点同士ではなく、辺同士で隣接する構造となっている。 On the side surface of the rod-shaped antenna formed by steps S3001 to S3004, all the blocks are adjacent to each other instead of vertices.
本実施形態に係るアンテナ最適設計方法では、上述のステップＳ３００１乃至Ｓ３００４によって形成されたロッド型アンテナのアンテナ特性が最適となるように、遺伝的アルゴリズムによって、各基準点ブロックに割り当てる最適な染色体を探索するように構成されている。 In the antenna optimum design method according to the present embodiment, an optimal chromosome to be assigned to each reference point block is searched by a genetic algorithm so that the antenna characteristics of the rod-type antenna formed in steps S3001 to S3004 are optimized. Is configured to do.
すなわち、遺伝的アルゴリズムを用いて、所定の評価関数を最大（或いは、最小）とする迷路（多角柱又は円柱の側面）の形状を求める問題を解決することによって、上述の最適な染色体を探索することができる。 That is, the optimal chromosome described above is searched by solving the problem of obtaining the shape of the maze (side surface of the polygonal column or cylinder) that maximizes (or minimizes) a predetermined evaluation function using a genetic algorithm. be able to.
本実施形態に係るアンテナ最適設計方法において、上述の評価関数ＥＶＡＬ２を用いて、８００ＭＨｚ、１.７ＧＨｚ、２.０ＧＨｚの３つの周波数で共振するという条件下で、最終的に形成されたロッド型アンテナにおけるリターンロス特性を、図６に示す。ここで、図６に示すように、所望の３つの周波数帯で、リターンロス１０ｄＢ以上が満たされている。 In the antenna optimum design method according to the present embodiment, the rod-shaped antenna finally formed under the condition that the above-described evaluation function EVAL2 is used to resonate at three frequencies of 800 MHz, 1.7 GHz, and 2.0 GHz. FIG. 6 shows the return loss characteristics at. Here, as shown in FIG. 6, the return loss of 10 dB or more is satisfied in the desired three frequency bands.
＜第３の実施形態＞
図１２乃至図１５を参照して、本発明の第３の実施形態に係るアンテナ最適設計方法について説明する。本発明の第３の実施形態に係るアンテナ最適設計方法は、ロッド型アンテナ１０が有限の大きさを有する地板２０（例えば、筐体５０）に接続されている点を除いて、上述の第１又は第２の実施形態に係るアンテナ最適設計方法と同一である。
<Third Embodiment>
An antenna optimum design method according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The antenna optimum design method according to the third embodiment of the present invention is the above-described first except that the rod-type antenna 10 is connected to the ground plane 20 (for example, the casing 50) having a finite size. Or, it is the same as the antenna optimum design method according to the second embodiment.
図１２は、本実施形態に係るアンテナ最適設計方法によって設計されたロッド型アンテナの構造を示す模式図である。図１２の例では、筐体５０のサイズは、横４０ｍｍ、縦８０ｍｍであり、ロッド型アンテナ１０の大きさは、高さ１４ｍｍ、周囲長４０ｍｍである。また、図１２の例では、遺伝的アルゴリズムにおける初期人口を５００として計算した２８世代目のロッド型アンテナの構造である。 FIG. 12 is a schematic diagram showing the structure of a rod-type antenna designed by the antenna optimum design method according to the present embodiment. In the example of FIG. 12, the size of the housing 50 is 40 mm wide and 80 mm long, and the size of the rod antenna 10 is 14 mm high and 40 mm long. In addition, the example of FIG. 12 shows the structure of the 28th generation rod-type antenna calculated by setting the initial population in the genetic algorithm as 500.
図１２に示すロッド型アンテナの構造は、本実施形態に係るアンテナ最適設計方法において、上述の重み付評価関数ＥＶＡＬを用いて、８５０ＭＨｚ、１.７５ＧＨｚ、２.０ＧＨｚの３つの周波数で共振するという条件下で、最終的に形成されたものである。 The structure of the rod type antenna shown in FIG. 12 resonates at three frequencies of 850 MHz, 1.75 GHz, and 2.0 GHz using the above-described weighted evaluation function EVAL in the antenna optimum design method according to this embodiment. Under the conditions, it is finally formed.
図１３に、本実施形態に係るアンテナ最適設計方法における世代ごとの評価関数の値を示す。また、図１４に、本実施形態に係るアンテナ最適設計方法における３つの所望周波数における世代ごとのリターンロスの最悪値を示す。図１４の例では、２８世代において、リターンロスが８ｄＢ以上となることが分かる。図１５は、本実施形態に係るアンテナ最適設計方法における最終世代におけるリターンロス特性を示す。 FIG. 13 shows evaluation function values for each generation in the antenna optimum design method according to the present embodiment. FIG. 14 shows the worst value of the return loss for each generation at the three desired frequencies in the antenna optimum design method according to the present embodiment. In the example of FIG. 14, it can be seen that the return loss is 8 dB or more in the 28th generation. FIG. 15 shows the return loss characteristics in the final generation in the antenna optimum design method according to the present embodiment.
また、図１６（ａ）乃至（ｆ）に、本実施形態に係るアンテナ最適設計方法によって設計されたロッド型アンテナ（メアンダライン形状）１０の他の例を示し、図１７に、かかるロッド型アンテナ１０の展開図を示し、図１８（ａ）及び（ｂ）に、かかるロッド型アンテナ１０のアンテナ特性を示す。 FIGS. 16A to 16F show another example of the rod type antenna (meander line shape) 10 designed by the antenna optimum design method according to this embodiment, and FIG. 17 shows such a rod type antenna. FIG. 18A and FIG. 18B show the antenna characteristics of the rod antenna 10.
さらに、図１９（ａ）乃至（ｅ）に、本実施形態に係るアンテナ最適設計方法によって設計されたロッド型アンテナ（メアンダライン形状）１０の更に他の例を示し、図２０に、かかるロッド型アンテナ１０のアンテナ特性を示す。 Further, FIGS. 19A to 19E show still another example of the rod type antenna (meander line shape) 10 designed by the antenna optimum design method according to the present embodiment, and FIG. 20 shows the rod type. The antenna characteristic of the antenna 10 is shown.
＜第４の実施形態＞
図２１（ａ）及び（ｂ）を参照して、本発明の第４の実施形態に係るアンテナ最適設計方法について説明する。本発明の第４の実施形態に係るアンテナ最適設計方法は、図２１（ａ）に示すカード型アンテナの側面Ａに対して、上述の第２の実施形態に係るアンテナ素子パターンの生成方法（迷路生成アルゴリズム）を適用するものである。図２１（ａ）における有限の地板２０は、パソコン等に挿入されるカードである。
<Fourth Embodiment>
With reference to FIGS. 21A and 21B, an antenna optimum design method according to a fourth embodiment of the present invention will be described. The antenna optimum design method according to the fourth embodiment of the present invention is the antenna element pattern generation method (maze maze) according to the second embodiment described above with respect to the side surface A of the card-type antenna shown in FIG. Generation algorithm). The finite ground plane 20 in FIG. 21A is a card inserted into a personal computer or the like.
なお、図２１（ｂ）に、本発明の第４の実施形態に係るアンテナ最適設計方法によって設計されたカード型アンテナのアンテナ特性を示す。 FIG. 21B shows the antenna characteristics of the card type antenna designed by the antenna optimum design method according to the fourth embodiment of the present invention.
＜第５の実施形態＞
図２２及び図２３を参照して、本発明の第５の実施形態に係るアンテナ最適設計方法について説明する。本発明の第５の実施形態に係るアンテナ最適設計方法は、ロッド型アンテナ１０が、携帯電話を折り畳んだ大きさ（有限の大きさ）を有する地板２０（例えば、筐体５０）に接続されている点を除いて、上述の第２の実施形態に係るアンテナ最適設計方法と同一である。
<Fifth Embodiment>
With reference to FIG.22 and FIG.23, the antenna optimal design method which concerns on the 5th Embodiment of this invention is demonstrated. In the antenna optimum design method according to the fifth embodiment of the present invention, the rod antenna 10 is connected to the ground plane 20 (for example, the casing 50) having a size (finite size) obtained by folding a mobile phone. Except for this point, it is the same as the antenna optimum design method according to the second embodiment described above.
図２２（ａ）及び（ｂ）に、本発明の第５の実施形態に係るアンテナ最適設計方法によって設計された３Ｄロッド型の内蔵型アンテナの構造を示す。また、図２３に、かかる発明の第５の実施形態に係るアンテナ最適設計方法によって設計された３Ｄロッド型の内蔵型アンテナのアンテナ特性を示す。 FIGS. 22A and 22B show the structure of a 3D rod-type built-in antenna designed by the antenna optimum design method according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 23 shows antenna characteristics of a 3D rod-type built-in antenna designed by the antenna optimum design method according to the fifth embodiment of the present invention.
なお、本発明に係るアンテナ最適設計方法は、上述のようなロッド型構造のアンテナのみならず、ヘリカル型螺旋構造やメアンダライン構造やテーパ型構造のアンテナの設計にも適用可能である。 The antenna optimum design method according to the present invention can be applied not only to the above-described rod-type antenna, but also to the design of a helical-type spiral structure, meander-line structure, or tapered-type antenna.
１０…ロッド型アンテナ
２０…地板
３０…アンテナ素子パターン
４０…給電点
５０…筐体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Rod type antenna 20 ... Ground plane 30 ... Antenna element pattern 40 ... Feeding point 50 ... Case
Claims (3)
多角柱又は円柱によって前記ロッド型アンテナを構成する工程と、
前記多角柱又は前記円柱の側面上にアンテナ素子パターンを生成する工程と、
遺伝的アルゴリズム又はランダムサーチ法を用いて、前記ロッド型アンテナのアンテナ特性が最適となる前記アンテナ素子パターンを探索する工程とを有し、
前記アンテナ素子パターンを生成する工程は、
前記多角柱又は前記円柱の側面を所定形状に分割することによってブロックを生成する工程と、
生成された前記ブロックの１ブロックおきに基準点ブロックを設定する工程と、
前記基準点ブロックに対して１辺で隣接するブロックにおける金属パッチの配置方法を決定する染色体を、該基準点ブロックに割り当てる工程とを有し、
前記アンテナ素子パターンを探索する工程は、
遺伝的アルゴリズムによって、前記アンテナの特性が最適となるように、各基準点ブロックに割り当てられる最適な前記染色体を探索する工程とを有することを特徴とするアンテナ最適設計方法。 An antenna optimum design method for designing a rod type antenna structure,
Configuring the rod-type antenna by a polygonal column or a cylinder; and
Generating an antenna element pattern on a side surface of the polygonal column or the cylinder;
Using a genetic algorithm or a random search method, searching for the antenna element pattern that optimizes the antenna characteristics of the rod-type antenna ,
The step of generating the antenna element pattern includes:
Generating a block by dividing a side surface of the polygonal column or the cylinder into a predetermined shape;
Setting a reference point block every other block of the generated block;
Assigning to the reference point block a chromosome that determines a metal patch placement method in a block adjacent on one side to the reference point block;
The step of searching for the antenna element pattern includes:
And a step of searching for an optimal chromosome to be assigned to each reference point block so as to optimize the characteristics of the antenna by a genetic algorithm .
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