JP4587841B2

JP4587841B2 - アンテナ最適設計方法、プログラム及びロッド型アンテナ

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Publication number: JP4587841B2
Application number: JP2005052143A
Authority: JP
Inventors: 珠美丸山; 敬三長
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2025-02-25
Also published as: JP2006238234A

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ロッド型アンテナに関する。

従来、平面メアンダラインアンテナの小型化を狙う手法として、平面をロッド型に形成するロッド型アンテナが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
Ｂ．Ｓｕｎ、Ｑ．Ｌｉｕ、Ｈ．Ｗｉｅ、「ＣｏｍｐａｃｔｍｏｎｏｐｏｌｅａｎｔｅｎｎａｆｏｒＧＳＭ/ＤＣＳｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｍｏｂｉｌｅｈａｎｄｓｅｔｓ」、ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ３０ｔｈＯｃｔｏｂｅｒ２００３ｖｏｌ．３９Ｎｏ．２２、１５６２頁〜１５６３頁

しかしながら、従来のロッド型アンテナでは、アンテナ素子として使用できる面積が、柱の側面に限られているため、同一の構成を維持したまま、より一層の小型化及び細径化を図ることができないという問題点があった。

そこで、本発明は、以上の点に鑑みてなされたもので、ロッド型アンテナ（特に、ロッド型モノポールアンテナ）の小型化及び細径化を図り、かつ、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、初期構造を初めに限定することなく自動最適設計を可能とする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ロッド型アンテナを提供することを目的とする。

本発明の第１の特徴は、金属地板と給電点とアンテナ素子とを具備するロッド型アンテナであって、前記アンテナ素子は、巻紙形状、折り曲げ形状、折り返し形状のいずれかの部材によって形成されていることを要旨とする。

本発明の第１の特徴において、前記アンテナ素子が、どの側面方向から見ても、アンテナ素子面の層の数が等しく形成されていてもよい。

本発明の第２の特徴は、金属地板と給電点とアンテナ素子とを具備する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、巻紙形状、折り曲げ形状、折り返し形状のいずれかの部材によって前記アンテナ素子を形成する工程と、前記部材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。

本発明の第２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、前記部材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。

本発明の第２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、前記部材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。

本発明の第２の特徴において、前記遺伝的アルゴリズムの初期値としてメアンダライン形状を用いてもよい。

本発明の第３の特徴は、上述の第２の特徴に係る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。

本発明の第３の特徴は、上述の第２の特徴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であることを要旨とする。

以上説明したように、本発明によれば、ロッド型アンテナ（特に、ロッド型モノポールアンテナ）の小型化及び細径化を図り、かつ、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、初期構造を初めに限定することなく自動最適設計を可能とする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ロッド型アンテナを提供することができる。

また、本発明によれば、遺伝的アルゴリズムを適用しているため、スクロール形状におけるアンテナ素子面の層の前後の層からの相互結合を受ける場合であっても、かかる相互結合が利得や帯域等のアンテナ特性に有利に働くように、有効利用することが可能である。

＜第１の実施形態に係るロッド型アンテナの構成＞
図１乃至図４を参照して、本発明の第１の実施形態に係るロッド型アンテナ（スクロール形状（巻紙形状）ロッド型モノポールアンテナ）の構成について説明する。

本実施形態に係るロッド型アンテナは、図１に示すように、金属地板１と給電点２とアンテナ素子３とを具備する。また、アンテナ素子３は、給電点２を介して、無限大の大きさを有する金属地板１に接続されている。

また、アンテナ素子３は、スクロール形状（巻紙形状）、折り曲げ形状、折り返し形状のいずれかの部材によって形成されており、その側面上にアンテナ素子パターンが生成されている。なお、かかる部材は、誘電体基板、銅板、発泡スチロール、針金等の折り曲げること、折り返すこと、又は、巻かれることが可能な部材（例えば、板状部材）等が該当する。以下、アンテナ素子３が、板状部材で形成されている例について説明する。

図２に示すように、本実施形態に係るロッド型アンテナを上面（ＸＹ面）方向から見ると、アンテナ素子３の底面が、２重構造のスクロール形状又は渦巻形状の曲線又は直線（すなわち、一筆書きで記載される曲線又は直線）によって形成されているように見える。

図３（ａ）は、本実施形態に係るロッド型アンテナのアンテナ素子３を上面（ＸＹ面）方向から見た図であり、図３（ｂ）は、従来技術に係るロッド型アンテナのアンテナ素子３を上面（ＸＹ面）方向から見た図である。

図３（ａ）において、記号Ａ〜Ｊは、説明のために、アンテナ素子３の底面上におけるスクロール形状又は渦巻形状の頂点に対して与えられた符号であり、図３（ｂ）において、記号Ｋ〜Ｎは、説明のために、アンテナ素子３の底面上における四角形の頂点に対して与えられた符号である。

ここで、図３（ａ）及び図３（ｂ）において、記号ＡＢをラインＡＢの長さと定義することとする。＋
図３（ａ）及び図３（ｂ）において、例えば、「ＡＢ：ＢＣ：ＣＤ：ＤＥ：ＥＦ：ＦＧ：ＧＨ：ＨＩ：ＩＪ：ＪＫ：ＫＬ：ＬＭ：ＭＮ：ＮＫ＝６：６：６：５：５：４：４：３：２：１：１０：１０：１０：１０」とすることによって、アンテナ素子３におけるラインの長さの合計を等しくすることができる、すなわち、「ＡＢ＋ＢＣ＋ＣＤ＋ＤＥ＋ＥＦ＋ＦＧ＋ＧＨ＋ＨＩ＋ＩＪ＋ＪＫ＝ＫＬ＋ＬＭ＋ＭＮ＋ＮＫ」を満たすことができる。

本実施形態に係るロッド型アンテナのアンテナ素子３の底面の直径に相当するＡＢと、従来技術に係るロッド型アンテナのアンテナ素子３の底面の直径に相当するＫＬとの比は、ＡＢ:ＫＬ＝６:１０の関係を満たす。

すなわち、本実施形態に係るロッド型アンテナにおいて、アンテナ素子３を形成する板状部材をスクロール形状又は渦巻形状とすることにより、アンテナ素子面（板状部材の側面）におけるアンテナ素子パターンを形成する際の自由度を同一に保ったまま、アンテナ素子３の底面の直径（ロッドの径）を５分の３に細径化することができる。

また、本実施形態に係るロッド型アンテナによれば、正のＸ軸方向、負のＸ軸方向、正のＹ軸方向、負のＹ軸方向のいずれの方向においても、アンテナ素子３を形成する板状部材が、ほぼ２重となっており、板状部材が重なる数の条件が同じであるため、水平面内放射指向性のオムニを形成しやすいことが分かる。

すなわち、アンテナ素子３は、どの側面方向から見ても、アンテナ素子面の層の数が等しく形成されている。

図４に、柱状に形成された本実施形態に係るロッド型アンテナのアンテナ素子３のみの部分を示す。図６において、記号Ａ’〜Ｊ’は、アンテナ素子３の上面におけるスクロール形状のラインの頂点を示す。

＜第１の実施形態に係る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＞
図５乃至図８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を設計する動作について説明する。本実施形態に係るアンテナ最適設計方法は、携帯端末用及び無線ＬＡＮ用に用いられるロッド型アンテナ（ロッド型モノポールアンテナ又は内蔵型アンテナ）の小型化や細径化やマルチバンド化や広帯域化を図りつつ、所望のアンテナ特性を満足するためのロッド型アンテナの最適設計を可能にするものである。

図５に示すように、ステップＳ１００１において、本動作は、スクロール形状の板状部材によって形成されているアンテナ素子３を具備するロッド型アンテナを形成する（図６（ａ）及び（ｂ））。

ステップＳ１００２において、本動作は、例えば、携帯端末の筐体の上に設置されるスクロール形状ロッド型モノポールアンテナの側面を平面に展開する（図６（ｃ）参照）。

ステップＳ１００３において、本動作は、展開された平面（スクロール形状の板状部材の側面）上にアンテナ素子パターンを生成する（図６（ｃ）参照）。以下、図７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。

図７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。

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。

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。

図６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。以下、図８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。

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。

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。

反射係数Γ＝｜Ｚ_ｉｎ−Ｚ_０｜／｜Ｚ_ｉｎ＋Ｚ_０｜ …（１）
ここで、Ｚ_ｉｎは、入力インピーダンスであり、Ｚ_０は、伝送路の特性インピーダンスである。

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。

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。

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、ＲＬＯＳＳ_ｆ１、ＲＬＯＳＳ_ｆ２、ＲＬＯＳＳ_ｆ３とし、所望とする３つの周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３の「利得」を、それぞれ、Ｇａｉｎ_ｆ１、Ｇａｉｎ_ｆ２、Ｇａｉｎ_ｆ３とする。

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。

ＥＶＡＬ＝ｗ１・Ｒｌｏｓｓ_ｆ１＋ｗ２・ＲＬＯＳＳ_ｆ２＋ｗ３・ＲＬＯＳＳ_ｆ３＋ｗ４・Ｇａｉｎ_ｆ１＋ｗ５・Ｇａｉｎ_ｆ２＋ｗ６・Ｇａｉｎ_ｆ３ …（３）
例えば、上述の第１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。

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。

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）
式（４）において、ＤＲＬ_ｆｉ（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、ＤＧ_ｆｉ（ｉ＝１〜３）は、周波数ｆｉにおける所望利得である。

なお、水平方向オムニ指向性を得るために、本発明に係るアンテナ最適設計方法において、上述の式（４）の代わりに、式（４）’を用いるように構成されていてもよい。

ＥＶＡＬＣ＝ｗ１・ｍｉｎ（ＤＲＬ_ｆ１，Ｒｌｏｓｓ_ｆ１）＋ｗ２・ｍｉｎ（ＤＲＬ_ｆ２，Ｒｌｏｓｓ_ｆ２）＋ｗ３・ｍｉｎ（ＤＲＬ_ｆ３，Ｒｌｏｓｓ_ｆ３）＋ｗ４１・ｍｉｎ(ＤＧ_ｆ１，ＧＡＩＮ_{ｆ１,θ＝９０°,φ＝０°})＋ｗ４２・ｍｉｎ(ＤＧ_ｆ１，ＧＡＩＮ_{ｆ１,θ＝９０°,φ＝９0})＋ｗ４３・ｍｉｎ(ＤＧ_ｆ１，ＧＡＩＮ_{ｆ１,θ＝９０°,φ＝１８０°})＋ｗ４４・ｍｉｎ(ＤＧ_ｆ１，ＧＡＩＮ_{ｆ１,θ＝９０°,φ＝２７０°})＋ｗ５１・ｍｉｎ(ＤＧ_ｆ２，ＧＡＩＮ_{ｆ２,θ＝９０°,φ＝０°})＋ｗ５２・ｍｉｎ(ＤＧ_ｆ２，ＧＡＩＮ_{ｆ２,θ＝９０°,φ＝９０°})＋ｗ５３・ｍｉｎ(ＤＧ_ｆ２，ＧＡＩＮ_{ｆ２,θ＝９０°,φ＝１８０°})＋ｗ５４・ｍｉｎ(ＤＧ_ｆ２，ＧＡＩＮ_{ｆ２,θ＝９０°,φ＝２７０°})＋ｗ６１・ｍｉｎ(ＤＧ_ｆ３，ＧＡＩＮ_{ｆ３,θ＝９０°,φ＝０°})＋ｗ６２・ｍｉｎ(ＤＧ_ｆ３，ＧＡＩＮ_{ｆ３,θ＝９０°,φ＝９０°})＋ｗ６３・ｍｉｎ(ＤＧ_ｆ３，ＧＡＩＮ_{ｆ３,θ＝９０°,φ＝１８０°})＋ｗ６４・ｍｉｎ(ＤＧ_ｆ３，ＧＡＩＮ_{ｆ３,θ＝９０°,φ＝２７０°}) …（４）’
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。

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。

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）
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。

ＥＶＡＬ２＝ＥＶＡＬＣ＋ｗ７・ＥＶＡＬＭ−ＲＬ＋ｗ８・ＥＶＡＬＭ−Ｇ …（７）
以下、図８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。

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５０とする。なお、遺伝的アルゴリズムの初期値としてメアンダライン形状を用いる。

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、スクロール形状の板状部材によって形成されているアンテナ素子３を具備するロッド型アンテナを形成して携帯端末の筐体に取り付けた後、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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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、所望周波数の比を「０.８５７５：１.７９５：２.０４５」とし、こ
の３つの周波数で共振するという条件下で、ロッド型アンテナを形成した結果を、図９及び図１０に示す。ここで、人口は、５０として計算を行った。

図９は、横軸を世代とし、縦軸を評価関数の値とした結果である。図９に示すように、世代が増えるたびに、評価関数の値が大きくなり収束していく様子が確認できる。

図１０に、横軸を世代とし、縦軸を３つの所望周波数におけるリターンロスの最悪値としたときの特性を示す。図１０に示すように、３０世代で、３波のリターンロスの最悪値は、ほぼ１０ｄＢとなり、７４世代で、３波のリターンロスの最悪値は、１０ｄＢ以上、つまり、３つの所望周波数において、リターンロス１０ｄＢ以上を満たすことがわかる。

図１１及び図１２に、本実施形態に係るアンテナ最適設計方法によって最終的に設計されたアンテナ素子３の部分の形状を示す。

図１１は、かかる形状を、斜め上方向から見た図であり、スクロール形状の板状部材の側面に沿ってアンテナ素子パターンが決定されている様子が確認できる。

図１２において、板状部材の屈曲部分（すなわち、底面における頂点）同士で交わらない連続した板状部材が形成されている様子を確認することができる。

なお、図１３に、本実施形態に係るアンテナ最適設計方法によって最終的に設計されたロッド型アンテナのリターンロス周波数特性を示す。

＜本発明の第１の実施形態における作用・効果＞
本発明の第１の実施形態によれば、スクロール形状や渦巻形状の板状部材によってアンテナ素子３を形成することによって、底面が多角形であるアンテナ素子３を具備するロッド型アンテナと比較して、小さい体積の中に多くのアンテナ素子面を構成することが可能となり、ロッド型アンテナの細径化が可能となる。

本発明の第１の実施形態によれば、折り曲げた板状部材を、円状や多角形状をなす全ての面に対してｎ重に重なるように形成することにより、単に同じ面積のアンテナ素子面を、より小さな体積に収めるだけでなく、水平方向の全ての面について層の重なり具合をほぼ同じように設定することができ、水平方向オムニ指向性を形成しやすくなる。

本発明の第１の実施形態によれば、遺伝的アルゴリズムを用いて、スクロール形状に折り曲げた複雑なアンテナ素子面を自動的に設計することが可能になる。

本発明の第１の実施形態によれば、初期値に連続した構造（スクロール形状）を予め設定することにより、収束を早くすることが可能になる。

＜第２の実施形態＞
図１４乃至図１６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５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。

図１４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１４に示すように、本実施形態に係るロッド型アンテナの側面では、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。

図１４乃至図１６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。

図１４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１５（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。

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１５（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。

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１５（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。

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。

ここで、図１６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１６（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。

第１に、図１６（ｂ）を参照して、図１６（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。

かかる場合、図１６（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。

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。

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。

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。

第２に、図１６（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。

かかる場合、図１６（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。

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１６（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１６（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。

なお、本実施形態では、給電点４０に接続される部分（図１６（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。

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。

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。

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。

本発明の第２の実施形態によれば、染色体の頂点どうしの交わりを避けて、工作しやすくかつ優れた特性のロッド型アンテナを自動的に設計することができる。

＜第３の実施形態＞
図１７に示すように、本発明の第３の実施形態に係るロッド型アンテナのアンテナ素子３は、上面方向から見ると、側面の外側と内側とが一筆書きで記載されているように、折り返された形状の部材で形成されている。

＜第４の実施形態＞
図１８に示すように、本発明の第４の実施形態に係るロッド型アンテナのアンテナ素子３は、上面方向から見ると、側面が一筆書きで記載されているように、ジグザグに折り返された形状の部材で形成されている。

＜第５の実施形態＞
図１９に示すように、本発明の第５の実施形態に係るロッド型アンテナのアンテナ素子３は、上面方向から見ると、側面が一筆書きで記載されているように、スクロール形状の部材で形成されており、どの側面方向から見ても、アンテナ素子面の層の数が３層になるように形成されている。

図２０に、上述の第１の実施形態と同一のアンテナ最適設計方法を用いて設計した第５の実施形態に係るロッド型アンテナのリターンロス特性を示す。かかる場合、図２０に示すように、３つの所望周波数において、リターンロス９.７ｄＢ以上を実現している。

図２１及び図２３に、かかるアンテナ最適設計方法を用いて設計された第５の実施形態に係るロッド型アンテナを示す。

本発明の第１の実施形態に係るロッド型アンテナを示す図である。本発明の第１の実施形態に係るロッド型アンテナの上面図である。本発明の第１の実施形態及び従来技術に係るロッド型アンテナのアンテナ素子の上面図である。本発明の第１の実施形態に係るロッド型アンテナのアンテナ素子を示す図である。本発明の第１の実施形態に係るアンテナ最適設計方法の動作を示すフローチャートである。本発明の第１の実施形態に係るアンテナ最適設計方法の動作を説明するための図である。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おけるアンテナ素子パターンを生成する動作を示すフローチャートである。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おける最適なアンテナ素子パターンを探索する動作を示すフローチャートである。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おける遺伝的アルゴリズムによって、世代ごとの評価関数の値が変化する様子を示すグラフである。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おける遺伝的アルゴリズムによって、世代ごとのリターンロスの最悪値が変化する様子を示すグラフである。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よって設計されたロッド型アンテナを示す図である。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よって設計されたロッド型アンテナを示す図である。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よって設計されたロッド型アンテナのリターンロス特性を示すグラフである。本発明の第２の実施形態に係るアンテナ最適設計方法におけるアンテナ素子パターンを生成する動作を示すフローチャートである。本発明の第２の実施形態に係るアンテナ最適設計方法において、アンテナ素子パターンを生成する動作を説明するための図である。本発明の第２の実施形態に係るアンテナ最適設計方法において、基準点ブロックが隣接するブロックにおける金属パッチの除去方法を指示する動作を説明するための図である。本発明の第３の実施形態に係るロッド型アンテナの上面図である。本発明の第４の実施形態に係るロッド型アンテナの上面図である。本発明の第５の実施形態に係るロッド型アンテナを示す図である。本発明の第５の実施形態に係るアンテナ最適設計方法によって設計されたロッド型アンテナのリターンロス特性を示すグラフである。本発明の第５の実施形態に係るアンテナ最適設計方法によって設計されたロッド型アンテナを示す図である。本発明の第５の実施形態に係るアンテナ最適設計方法によって設計されたロッド型アンテナを示す図である。

符号の説明

１…地板
２…給電点
３…アンテナ素子

Claims

金属地板と給電点とアンテナ素子とを具備する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、
巻紙形状、折り曲げ形状、折り返し形状のいずれかの部材によって前記アンテナ素子を形成する工程と、
前記部材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、
前記部材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。
請求項１に記載のアンテナ最適設計方法を実施するためのプログラム。
請求項１に記載の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。