JP4759347B2 - Antenna design method, antenna design program, and recording medium - Google Patents
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本発明は、移動体通信機器、小型情報端末、その他の無線装置に利用可能なアンテナの最適設計方法に関し、さらに詳しくは、広帯域で反射損失を低減し、指向性の周波数依存性を改善するために有効なアンテナの最適設計方法に関するものである。 The present invention relates to an antenna optimum design method that can be used for mobile communication devices, small information terminals, and other wireless devices, and more particularly, to reduce reflection loss in a wide band and improve frequency dependence of directivity. The present invention relates to an effective antenna design method.
近年、無線通信技術の飛躍的な発展に伴い、無線技術を利用した製品が広く普及し始めている。移動体通信端末などの無線機器では、機器の小型化に伴ってアンテナの小型化が求められている。また、複数の通信方式への対応やＵＷＢのような広帯域伝送への対応のために、水平面内無指向性を有しかつ広帯域で使用可能なアンテナの開発が必要である。
水平面内無指向性を有し広帯域で使用可能なアンテナとしては、図１８に示すバイコニカルアンテナや図１９に示すディスコーンアンテナが従来から知られている。図１８のバイコニカルアンテナは、２つの円錐状素子１００、１０１を円錐の頂点Ａで互いに接続し、円錐の底面Ｂ、Ｃを両端に配置した構成を有する。また図１９のディスコーンアンテナは、モノポールアンテナの放射素子１０２の形状を逆円錐状にした構造を有しており、この形状はバイコニカルアンテナの一方１０３を円板状にしたものと考えることもできる。このような水平面内無指向性のアンテナの構造を改良することにより広帯域化する検討が従来なされている。
図２０は特許文献１に開示されたアンテナの断面図である。このアンテナでは、円錐状の放射電極の一部を、導体を含有するゴムやエラストマーなどの低導電率部材１０４、１０５で構成することにより、給電部への反射電力が減殺され広帯域で反射損失が低減される技術について開示されている。
また、図２１は特許文献２に開示されたアンテナの断面図である。このアンテナでは、逆円錐形１２Ａと球面１２Ｂを幾何学的に組合わせた形状の涙滴形素子１２を放射素子として用いることにより、反射電流が抑えられ広帯域で反射損失が低減される技術について開示されている。
また、図２２は特許文献３に開示されたアンテナである。このアンテナは、放射素子の外周面が半楕円回転体形の導体２０２と平面地板２０３とから構成される。このアンテナでは、放射素子を半楕円回転体形または半球形の形状にすることにより、小型化および広帯域化を図っている。
以上のように、水平面無指向性アンテナにおいて広帯域で反射損失を低減することでアンテナを使用可能な帯域を広帯域化する検討が従来なされている。しかしながら、広帯域アンテナでは、広帯域で反射損失が低いだけでなく、周波数による指向性の変化（ばらつき）が少ないことが求められる。これは、指向性が周波数によって変化すると、特定の方向で観測したときの伝達関数が周波数によって変わってしまうためである。
Conventionally known biconical antennas as shown in FIG. 18 and discone antennas as shown in FIG. 19 have been known as antennas having omnidirectionality in a horizontal plane and usable in a wide band. The biconical antenna of FIG. 18 has a configuration in which two
FIG. 20 is a cross-sectional view of the antenna disclosed in
FIG. 21 is a cross-sectional view of the antenna disclosed in
FIG. 22 shows an antenna disclosed in
As described above, in the horizontal plane omnidirectional antenna, studies have been made to widen the band in which the antenna can be used by reducing reflection loss over a wide band. However, a wideband antenna is required not only to have a low reflection loss in a wideband, but also to have little directivity change (variation) due to frequency. This is because when the directivity changes with frequency, the transfer function when observed in a specific direction changes with frequency.
しかしながら特許文献１、２、３に開示されている従来技術は、広帯域で反射損失を低減するように改良されているが、指向性の周波数依存性に対しては何ら工夫がなされていなかった。また、指向性の周波数依存性を改善するアンテナ設計手法についても検討されていなかった。
本発明は、かかる課題に鑑み、指向性算出工程、分散算出工程、評価値算出工程を順に実行することにより得られた評価値に基づいてアンテナ形状パラメータを最適化することにより、指向性の周波数依存性を改善するアンテナ設計手法を提供することを目的とする。
However, the conventional techniques disclosed in
In view of such a problem, the present invention optimizes the antenna shape parameter based on the evaluation value obtained by sequentially executing the directivity calculation step, the dispersion calculation step, and the evaluation value calculation step. An object of the present invention is to provide an antenna design method for improving the dependency.
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、２つの円錐状素子を頂点で向い合せたアンテナを、アンテナ形状パラメータの設定と該アンテナ形状パラメータ下におけるアンテナの評価とを繰り返すことにより、コンピュータでより特性の良い形状に設計するアンテナ設計方法であって、前記円錐状素子の側面上に設定した複数の点座標をアンテナ形状パラメータとし、複数の周波数及び観測角度を用いて前記観測角度に対する利得の変化を算出する利得算出工程と、前記複数の周波数における各利得の分散を算出する分散算出工程と、前記分散算出工程にて算出した前記分散に基づいて評価値を算出する評価値算出工程と、を順に実行する評価関数処理工程と、前記アンテナ形状パラメータとは異なるアンテナ形状パラメータを再設定するパラメータ再設定工程と、を含み、前記評価関数処理工程と前記パラメータ再設定工程とを繰り返し行って、前記評価値が小さくなるようなアンテナ形状パラメータを選択することによりアンテナ形状を設計することを特徴とする。
本発明はアンテナの側面上に設定した複数の点座標をアンテナ形状パラメータとし、このパラメータの評価処理を実行する評価関数の処理工程として、利得算出工程、分散算出工程、評価値算出工程がある。この工程を順次実行していくことにより、評価値が得られる。この評価値に基づいてアンテナ形状パラメータを最適化する。
請求項２は、前記アンテナは、信号線に接続された回転体状の第１素子と、接地された回転体状の第２素子とを備え、前記第１素子および前記第２素子の回転中心軸が相互に一致するように構成されることを特徴とする。
本発明のアンテナは、２つの素子により構成され、第１素子を信号線に接続し、第２素子を接地する。そして各素子の回転中心が相互に一致するように構成する。
請求項３は、前記アンテナ形状パラメータは、前記第１素子および第２素子の少なくともいずれか一方の側面上に設定されることを特徴とする。
第１素子および第２素子の回転体の形状は中心軸に対して対称であるので、アンテナ形状パラメータは少なくともいずれか一方の側面上に設定すればよい。
請求項４は、前記分散算出工程は、各観測角度における前記アンテナの利得の平均値である平均利得を算出し、前記利得算出工程において複数の周波数で算出した各利得について、前記平均利得との利得の偏差の自乗平均値を分散として算出する工程であることを特徴とする。
分散算出工程においては、先ず観測角度に対する利得Ｇの変化を示す関数Ｇ（θ，ｆ）の平均、すなわち観測角度θに対する利得の平均値Ｇａｖｇ（θ）を算出する。次に、関数Ｇ（θ，ｆ）の平均値Ｇａｖｇ（θ）からの分散Ｖ（ｆ）を各周波数について以下の式により算出する。
The present invention uses a plurality of point coordinates set on the side surface of the antenna as antenna shape parameters, and there are a gain calculation step, a variance calculation step, and an evaluation value calculation step as the evaluation function processing steps for executing the parameter evaluation processing. An evaluation value is obtained by sequentially executing this process. Based on this evaluation value, the antenna shape parameter is optimized.
According to a second aspect of the present invention, the antenna includes a rotating body-shaped first element connected to the signal line, and a grounded rotating body-shaped second element, and the center of rotation of the first element and the second element The axes are configured to coincide with each other.
The antenna of the present invention is composed of two elements, the first element is connected to the signal line, and the second element is grounded. And it is comprised so that the rotation center of each element may mutually correspond.
According to a third aspect of the present invention, the antenna shape parameter is set on a side surface of at least one of the first element and the second element.
Since the shapes of the rotating bodies of the first element and the second element are symmetric with respect to the central axis, the antenna shape parameter may be set on at least one of the side surfaces.
Claim 4, wherein the variance calculation step calculates the average gain is the average value of the gain of the antenna at each observation angle for each gain calculated at a plurality of frequencies in the gain calculating step, and the average gain It is a step of calculating a mean square value of gain deviations as variance.
In the variance calculating step, first, an average of functions G (θ, f) indicating a change in gain G with respect to the observation angle, that is, an average value Gavg (θ) of gain with respect to the observation angle θ is calculated. Next, the variance V (f) from the average value Gavg (θ) of the function G (θ, f) is calculated for each frequency by the following equation.
請求項５は、前記分散算出工程は、予め利得を改善する目標となる目標利得を設定しておき、前記複数の周波数で算出した各利得について、前記目標利得との利得の偏差の自乗平均値を分散として算出する工程であることを特徴とする。
分散Ｖ（ｆ）の算出式については、平均値Ｇａｖｇ（θ）の代わりに、利得を改善する目標となる目標利得Ｇｔａｒｇｅｔ（θ）を任意に設定しても良い。また、利得の分散を定量化し特性の優劣を比較することが可能であれば、上式に限定されずどのような算出式であっても良い。
請求項６は、前記分散算出工程は、前記観測角度に応じて重み付けをして前記分散を算出することを特徴とする。
分散算出工程においては、重み付け関数Ｗ（θ）は以下のように定めた。
観測角度θの評価範囲は、予め定めた観測角度θの評価範囲において分散を算出する。
請求項８は、前記評価値算出工程は、前記複数の周波数で算出した各利得に対する前記分散の平均値または合計値を評価値として算出する工程であることを特徴とする。
評価値算出工程においては、分散Ｖ（ｆ）の周波数に対する平均値を算出し、これを評価値Ｓｃｏｒｅとする。Ｎは周波数分割数、ｆ１は評価開始周波数、ｆＮは評価終了周波数を示している。
Regarding the calculation formula of the variance V (f), a target gain Gtarget (θ) that is a target for improving the gain may be arbitrarily set instead of the average value Gavg (θ). Further, as long as it is possible to quantify the gain dispersion and compare the superiority and inferiority of the characteristics, the calculation formula is not limited to the above formula, and any calculation formula may be used.
According to a sixth aspect of the present invention, in the variance calculation step, the variance is calculated by weighting according to the observation angle.
In the variance calculation step, the weighting function W (θ) is determined as follows.
For the evaluation range of the observation angle θ, the variance is calculated within the predetermined evaluation range of the observation angle θ.
According to an eighth aspect of the present invention, the evaluation value calculating step is a step of calculating, as an evaluation value, an average value or a total value of the variances for each gain calculated at the plurality of frequencies.
In the evaluation value calculation step, an average value with respect to the frequency of the variance V (f) is calculated, and this is set as the evaluation value Score. N is the frequency division number, f1 is the evaluation start frequency, and fN is the evaluation end frequency.
請求項９は、前記アンテナの反射損失の周波数特性を算出する反射特性算出工程と、前記反射特性から反射特性性能値を算出する反射特性性能値算出工程と、前記反射特性性能値を利用して評価値を算出する第二評価値算出工程と、を更に備えたことを特徴とする。
反射特性算出工程においては、母集団の各個体が持つ遺伝子情報である形状パラメータに基づいて計算モデルを生成し、ＦＤＴＤ法を使用して反射特性Ｓ１１（ｆ）を算出する。ここで反射特性とは、反射損失の周波数に対する依存性であり、周波数ｆの関数で表現される。また反射特性性能値算出工程では、算出した反射特性Ｓ１１（ｆ）に基づいて反射特性性能値Ｐを算出する。反射特性性能値Ｐの算出式は、広帯域で反射損失が低減された良好な特性であるほど、前記反射特性性能値が小さくなるように定めた。
請求項１０は、前記パラメータ再設定工程において、前記アンテナ形状パラメータが遺伝的アルゴリズムの選択処理と変異処理に基づいて再設定されることを特徴とする。
アンテナ形状パラメータの最適化手法として遺伝的アルゴリズムを使用し、形状パラメータを遺伝子情報として持つ個体の母集団を生成し、評価処理、選択処理、変異処理を繰り返すことにより形状パラメータの最適化を行った。
請求項１１は、設計するアンテナの初期モデルをバイコニカルアンテナとしたことを特徴とする。
アンテナ形状は、２つの円錐状素子を円錐の頂点で向かい合わせた形状であり、バイコニカルアンテナとして従来知られている。最適化されるアンテナの電波の主放射方向を略水平方向に向けたい場合には、初期モデルをバイコニカルアンテナとすることが有効である。
According to a ninth aspect of the present invention, a reflection characteristic calculation step of calculating a frequency characteristic of reflection loss of the antenna, a reflection characteristic performance value calculation step of calculating a reflection characteristic performance value from the reflection characteristic, and the reflection characteristic performance value are used. And a second evaluation value calculating step for calculating an evaluation value.
In the reflection characteristic calculation step, a calculation model is generated based on a shape parameter that is gene information possessed by each individual of the population, and the reflection characteristic S11 (f) is calculated using the FDTD method. Here, the reflection characteristic is the dependence of the reflection loss on the frequency, and is expressed as a function of the frequency f. In the reflection characteristic performance value calculation step, the reflection characteristic performance value P is calculated based on the calculated reflection characteristic S11 (f). The calculation formula of the reflection characteristic performance value P was determined so that the reflection characteristic performance value is smaller as the characteristic is better in the reflection band and the reflection loss is reduced.
According to a tenth aspect of the present invention, in the parameter resetting step, the antenna shape parameter is reset based on genetic algorithm selection processing and mutation processing .
A genetic algorithm was used as an optimization method for antenna shape parameters, a population of individuals having shape parameters as genetic information was generated, and shape parameters were optimized by repeating evaluation processing, selection processing, and mutation processing. .
The eleventh aspect is characterized in that the initial model of the antenna to be designed is a biconical antenna.
The antenna shape is a shape in which two conical elements face each other at the apex of the cone, and is conventionally known as a biconical antenna. When it is desired to direct the main radiation direction of the radio wave of the antenna to be optimized in a substantially horizontal direction, it is effective to use the initial model as a biconical antenna.
請求項１２は、設計するアンテナの初期モデルをディスコーンアンテナとしたことを特徴とする。
ディスコーンアンテナは、モノポールアンテナの放射素子の形状を逆円錐状にした構造を有しており、この形状はバイコニカルアンテナの一方を円板状にしたものと考えることもできる。
請求項１３は、請求項１乃至１２の何れか一項に記載のアンテナ設計方法をコンピュータが制御可能にプログラミングしたことを特徴とする。
請求項１４は、請求項１３に記載のアンテナ最適設計プログラムをコンピュータが読み取り可能な形式で記録したことを特徴とする。
The twelfth aspect is characterized in that the initial model of the antenna to be designed is a discone antenna.
The discone antenna has a structure in which the shape of the radiating element of the monopole antenna is an inverted cone, and this shape can also be considered as one of the biconical antennas formed into a disk shape.
A thirteenth aspect is characterized in that the antenna design method according to any one of the first to twelfth aspects is programmed so as to be controllable by a computer.
A fourteenth aspect is characterized in that the antenna optimum design program according to the thirteenth aspect is recorded in a computer-readable format .
請求項１の発明によれば、２つの円錐状素子の少なくともいずれか一方の側面上に設定した座標を形状パラメータとし、利得算出工程、分散算出工程、評価値算出工程とを備えた評価関数を用いて評価値が向上するように形状パラメータを設定するので、周波数による利得の変化（ばらつき）を抑えたアンテナ設計が可能となる。
また請求項２では、アンテナは、信号線に接続された回転体状の第１素子と、接地された回転体状の第２素子とを備え、第１素子および前記第２素子の回転中心軸が相互に一致するように構成されるので、バイコニカルアンテナを構成することができる。
また請求項３では、アンテナ形状パラメータは、第１素子および第２素子の少なくともいずれか一方の側面上に設定されるので、計算が容易となりなおかつ計算速度を高めることができる。
また請求項４では、分散算出工程において、複数の周波数で算出した各利得について、平均利得からの分散を算出するので、周波数による利得のばらつきを定量化することができる。
また請求項５では、分散算出工程において、複数の周波数で算出した各利得について、予め利得を改善する目標となる目標利得を設定しておき、目標利得からの分散を算出するので、周波数による利得のばらつきを定量化することができる。
According to the first aspect of the present invention, an evaluation function including a gain calculation step, a variance calculation step, and an evaluation value calculation step, with coordinates set on at least one side surface of two conical elements as a shape parameter, Since the shape parameter is set so that the evaluation value is improved by using the antenna, it is possible to design an antenna that suppresses a change (variation) in gain due to frequency.
According to a second aspect of the present invention, the antenna includes a rotating body-shaped first element connected to the signal line and a grounded rotating body-shaped second element, and the rotation center axis of the first element and the second element. Are configured to match each other, so that a biconical antenna can be configured.
According to the third aspect of the present invention, since the antenna shape parameter is set on at least one side surface of the first element and the second element, the calculation is facilitated and the calculation speed can be increased.
According to the fourth aspect of the present invention, since the variance from the average gain is calculated for each gain calculated at a plurality of frequencies in the variance calculation step, the gain variation due to the frequency can be quantified.
Further, in claim 5, in the dispersion calculation process for each gain calculated at a plurality of frequencies, it may be set a target gain as a target to improve the pre gain, so to calculate a variance from a target gain, the gain with frequency Variability can be quantified.
また請求項６では、分散算出工程において、観測角度に応じて重み付けをして分散を算出するので、所望の観測角度において利得の周波数依存性を改善することが可能となる。
また請求項７では、分散算出工程において、分散を算出する観測角度範囲を限定するので、所望の観測角度において利得の周波数依存性を改善することが可能となる。
また請求項８では、評価値算出工程において、複数の周波数で算出した各利得の分散の平均値または合計値を評価値として算出するので、評価値を利用して特性の優劣を比較し、最適化を行うことができる。
また請求項９では、反射特性算出工程、反射特性性能値算出工程、第二評価値算出工程とを評価関数に組み込むので、利得だけでなく反射特性を改善し、両特性を同時に改善するアンテナ設計が可能となる。
また請求項１０では、形状パラメータの設定とアンテナの評価を繰り返し行う際に遺伝的アルゴリズムを使用することにより、形状パラメータ数が多い場合でも効率の良いアンテナ最適設計が可能となる。
According to the sixth aspect of the present invention, since the variance is calculated by weighting according to the observation angle in the variance calculation step, it is possible to improve the frequency dependency of the gain at the desired observation angle.
Further, in the seventh aspect, since the observation angle range for calculating the dispersion is limited in the dispersion calculation step, it is possible to improve the frequency dependency of the gain at a desired observation angle.
Further, in the evaluation value calculation step, since the average value or the total value of the variances of the gains calculated at a plurality of frequencies is calculated as the evaluation value, the evaluation value is used to compare the superiority and inferiority of the characteristics. Can be made.
Further, in claim 9, since the reflection characteristic calculation step, the reflection characteristic performance value calculation step, and the second evaluation value calculation step are incorporated in the evaluation function, the antenna design that improves not only the gain but also the reflection characteristics and improves both characteristics simultaneously. Is possible.
Further, in
また請求項１１では、バイコニカルアンテナを初期モデルとして設定するので、最適化されるアンテナの主放射方向を略水平方向に向けることができる。
また請求項１２では、ディスコーンアンテナを初期モデルとして設定するので、最適化されるアンテナの主放射方向を斜め方向に向けることができる。
また請求項１３では、本発明のアンテナ最適設計方法をコンピュータが制御可能なＯＳに従ってプログラミングすることにより、そのＯＳを備えたコンピュータであれば同じ処理方法により制御することができる。
また請求項１４では、本発明のアンテナ最適設計方法を実行するプログラムを記録媒体に格納することにより、頒布することが可能となり、パーソナルコンピュータやワークステーション等によって実行することが可能となる。
Further, in claim 11, since the biconical antenna is set as the initial model, the main radiation direction of the antenna to be optimized can be oriented in a substantially horizontal direction.
In
Further, according to the thirteenth aspect, by programming the antenna optimum design method of the present invention according to an OS that can be controlled by a computer, any computer equipped with the OS can be controlled by the same processing method.
Further, according to the fourteenth aspect, the program for executing the antenna optimum design method of the present invention can be distributed by storing it in a recording medium, and can be executed by a personal computer, a workstation or the like .
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の第１の実施形態においてアンテナ最適設計を行う初期モデルとして採用したアンテナ形状を示す断面図である。このアンテナ形状は、２つの円錐状素子を円錐の頂点で向かい合わせた形状であり、バイコニカルアンテナとして従来から知られている。最適化されるアンテナの電波の主放射方向を略水平方向に向けたい場合には、初期モデルをバイコニカルアンテナとすることが有効である。このアンテナは、同軸線路４２によって下方から給電され、同軸線路４２の信号線４３に第１素子４０が接続され、同軸線路４２の外導体（接地導体）４４に第２素子４１が接続されている。
図１において、第１素子４０および第２素子４１の側面上に設定した１０点の座標（ｘ１，ｚ１）、（ｘ２，ｚ２）、（ｘ３，ｚ３）、（ｘ４，ｚ４）、（ｘ５，ｚ５）、（ｘ６，ｚ６）、（ｘ７，ｚ７）、（ｘ８，ｚ８）、（ｘ９，ｚ９）、（ｘ１０，ｚ１０）をアンテナ形状パラメータとした。このアンテナ形状パラメータの最適化手法として遺伝的アルゴリズムを使用し、形状パラメータを遺伝子情報として持つ個体の母集団を生成し、評価処理、選択処理、変異処理を繰り返すことにより前記形状パラメータの最適化を行った。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments shown in the drawings. However, the components, types, combinations, shapes, relative arrangements, and the like described in this embodiment are merely illustrative examples and not intended to limit the scope of the present invention only unless otherwise specified. .
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the shape of an antenna employed as an initial model for optimal antenna design in the first embodiment of the present invention. This antenna shape is a shape in which two conical elements face each other at the apex of a cone, and is conventionally known as a biconical antenna. When it is desired to direct the main radiation direction of the radio wave of the antenna to be optimized in a substantially horizontal direction, it is effective to use the initial model as a biconical antenna. The antenna is fed from below by a
In FIG. 1, the coordinates (x1, z1), (x2, z2), (x3, z3), (x4, z4), (x5, 10 points) set on the side surfaces of the
図２は第１の実施形態の評価処理を実行するための評価関数の処理工程図である。
ＳＴＥＰ１の指向性算出工程においては、母集団の各個体が持つ遺伝子情報である形状パラメータに基づいて計算モデルを生成し、ＦＤＴＤ法を使用して１０ＧＨｚ、１５ＧＨｚ、２０ＧＨｚ、２５ＧＨｚ、３０ＧＨｚにおける指向性Ｇ（θ，ｆ）を算出する。ここで指向性とは、観測角度に対する利得Ｇの変化であり、観測角度θと周波数ｆの関数で表現される。観測角度θは、図１に示すようにアンテナの天頂方向をθ＝０°、水平方向をθ＝９０°とした。
ＳＴＥＰ２の分散算出工程においては、先ずＳＴＥＰ１で算出した指向性Ｇ（θ，ｆ）の平均指向性、すなわち観測角度θに対する利得の平均値Ｇａｖｇ（θ）を算出する。次に、指向性Ｇ（θ，ｆ）の平均指向性Ｇａｖｇ（θ）からの分散Ｖ（ｆ）をｆ＝１０、１５、２０、２５、３０ＧＨｚ（周波数分割数Ｎ＝５）の各周波数について（１）式により算出する。ここでＭは観測角度分割数、θ１は評価開始角度、θＭは評価終了角度、Ｗ（θ）は重み付け関数を表す。
In the directivity calculation step of STEP1, a calculation model is generated based on a shape parameter that is genetic information of each individual of the population, and the directivity G at 10 GHz, 15 GHz, 20 GHz, 25 GHz, and 30 GHz using the FDTD method. (Θ, f) is calculated. Here, the directivity is a change in the gain G with respect to the observation angle, and is expressed as a function of the observation angle θ and the frequency f. As shown in FIG. 1, the observation angle θ is set such that the zenith direction of the antenna is θ = 0 ° and the horizontal direction is θ = 90 °.
In the dispersion calculation step of STEP2, first, the average directivity of the directivity G (θ, f) calculated in STEP1, that is, the average value Gavg (θ) of the gain with respect to the observation angle θ is calculated. Next, the dispersion V (f) of the directivity G (θ, f) from the average directivity Gavg (θ) is set for each frequency of f = 10, 15, 20, 25, and 30 GHz (frequency division number N = 5). Calculated by equation (1). Here, M is the number of observation angle divisions, θ1 is an evaluation start angle, θM is an evaluation end angle, and W (θ) is a weighting function.
本実施形態の分散算出工程においては、重み付け関数Ｗ（θ）は以下のように定めた。
観測角度θの評価範囲は、水平方向（θ＝９０°）から±４０°すなわちθ＝５０〜１３０°（θ１＝５０°，θＭ＝１３０°）とした。観測角度θの評価範囲において、観測角度ステップを１°としたので角度分割数Ｍ＝８１である。
尚、分散Ｖ（ｆ）の算出式については、平均指向性Ｇａｖｇ（θ）の代わりに、指向性を改善する目標となる目標指向性Ｇｔａｒｇｅｔ（θ）を任意に設定しても良い。また、指向性の分散を定量化し特性の優劣を比較することが可能であれば、上式に限定されずどのような算出式であっても良い。
ＳＴＥＰ３の評価値算出工程においては、ＳＴＥＰ２で算出した分散Ｖ（ｆ）の周波数に対する平均値を（３）式により算出し、これを評価値Ｓｃｏｒｅとする。Ｎは周波数分割数、ｆ１は評価開始周波数、ｆＮは評価終了周波数を示し、本実施形態では、Ｎ＝５、ｆ１＝１０ＧＨｚ、ｆＮ＝ｆ５＝３０ＧＨｚとしている。
尚、（４）式に示すように前記評価値は、前記分散Ｖ（ｆ）の平均値ではなく合計値として算出しても良い。
For the calculation formula of the variance V (f), a target directivity Gtarget (θ) that is a target for improving directivity may be arbitrarily set instead of the average directivity Gavg (θ). Further, as long as the dispersion of directivity can be quantified and the superiority or inferiority of characteristics can be compared, any calculation formula is possible without being limited to the above formula.
In the evaluation value calculation step of STEP3, the average value for the frequency of the variance V (f) calculated in STEP2 is calculated by the equation (3), and this is set as the evaluation value Score. N represents the frequency division number, f1 represents the evaluation start frequency, and fN represents the evaluation end frequency. In this embodiment, N = 5, f1 = 10 GHz, and fN = f5 = 30 GHz.
ＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ３を順に実行することにより算出された前記評価値は、その値が小さいほど周波数に対する指向性のばらつきが小さいことを示すので、指向性のばらつきを定量化し最適化により改善するための評価値として適している。また、本実施形態における評価関数では、アンテナの指向性だけでなく反射特性についての評価も行う。
ＳＴＥＰ４の反射特性算出工程においては、母集団の各個体が持つ遺伝子情報である形状パラメータに基づいて計算モデルを生成し、ＦＤＴＤ法を使用して反射特性Ｓ１１（ｆ）を算出する。ここで反射特性とは、反射損失の周波数に対する依存性であり、周波数ｆの関数で表現される。
ＳＴＥＰ５の反射特性性能値算出工程では、ＳＴＥＰ４で算出した反射特性Ｓ１１（ｆ）に基づいて反射特性性能値Ｐを算出する。反射特性性能値Ｐの算出式は、広帯域で反射損失が低減された良好な特性であるほど、反射特性性能値が小さくなるように定めた。
ＳＴＥＰ６の第二評価値算出工程では、ＳＴＥＰ３で算出した評価値ＳｃｏｒｅにＳＴＥＰ５で算出した反射特性性能値Ｐを加算する。評価値と反射特性性能値の加算においては、いずれか一方または両方に適当な係数ａ、ｂを掛けて加算を行っても良い。また係数ａ、ｂは、本アンテナ最適設計方法の最適化効率を向上し得るように適切に設定することが可能である。
Ｓｃｏｒｅ＝Ｓｃｏｒｅ×ａ＋Ｐ×ｂ
・・・・（５）式
以上、指向性の評価に加えて反射特性から評価値を算出する評価関数の処理フローについて説明を行ったが、本発明の評価関数では、指向性の評価に加えてアンテナの重量、体積やその他の特性値を利用して評価値を算出することも可能である。
The evaluation value calculated by sequentially executing STEP1 to STEP3 indicates that the smaller the value, the smaller the variation in directivity with respect to the frequency. Therefore, the evaluation for quantifying the variation in directivity and improving it by optimization Suitable as a value. In the evaluation function in the present embodiment, not only the directivity of the antenna but also the reflection characteristic is evaluated.
In the reflection characteristic calculation step of STEP4, a calculation model is generated based on the shape parameter that is gene information possessed by each individual of the population, and the reflection characteristic S11 (f) is calculated using the FDTD method. Here, the reflection characteristic is the dependence of the reflection loss on the frequency, and is expressed as a function of the frequency f.
In the reflection characteristic performance value calculation step of STEP5, the reflection characteristic performance value P is calculated based on the reflection characteristic S11 (f) calculated in STEP4. The calculation formula for the reflection characteristic performance value P was determined such that the better the characteristic with a reduced reflection loss in a wide band, the smaller the reflection characteristic performance value.
In the second evaluation value calculation step of STEP6, the reflection characteristic performance value P calculated in STEP5 is added to the evaluation value Score calculated in STEP3. In addition of the evaluation value and the reflection characteristic performance value, addition may be performed by multiplying one or both by appropriate coefficients a and b. The coefficients a and b can be appropriately set so that the optimization efficiency of the antenna optimum design method can be improved.
Score = Score × a + P × b
·············································································································································· (5) In the above, the processing flow of the evaluation function for calculating the evaluation value from the reflection characteristics in addition to the evaluation of directivity has been described. It is also possible to calculate the evaluation value by using the weight, volume and other characteristic values of the antenna.
図３（Ａ）は本実施形態のアンテナ最適設計方法を用いて得られたアンテナの形状を示す図である。図３（Ｂ）に示すように、該アンテナの第１素子の側面形状は、以下のような関数形で記述される。
ここで、ｘは第１素子の回転体軸方向の位置座標であり、ａ、ｂ、ｃは定数である。
また、第２素子の側面形状は、以下のような楕円を表す（７）式で記述される。
ここで、ｘは第２素子の回転体軸方向の位置座標であり、ｍ、ｎは定数である。
図４に従来のバイコニカルアンテナおよび本発明により最適化されたアンテナの周波数１０、１５、２０、２５、３０ＧＨｚにおける指向性を示す図である。（ａ）は従来のバイコニカルアンテナの指向性であり、（ｂ）は本発明により最適化されたアンテナの指向性である。最適化されたアンテナは、バイコニカルアンテナと比較すると、角度評価範囲５０〜１３０°において、周波数に対する指向性のばらつきが抑制されており、指向性の周波数依存性が改善されたことが確認できる。
FIG. 3A is a diagram showing the shape of an antenna obtained by using the antenna optimum design method of the present embodiment. As shown in FIG. 3B, the side shape of the first element of the antenna is described in the following functional form.
Further, the side surface shape of the second element is described by the following equation (7) representing an ellipse as follows.
FIG. 4 is a diagram showing the directivity at
また、図５に従来のバイコニカルアンテナおよび最適化されたアンテナの反射損失の周波数特性を示す図である。実線で示される最適化されたアンテナは、破線で示されるバイコニカルアンテナと比較すると、広帯域にわたって反射損失が低減されており、３ＧＨｚ以上でリターンロスが−１０ｄＢ以下と良好な広帯域特性を示すのが解る。
このように、本実施形態で説明したアンテナ最適設計方法を用いることで、従来の方法では困難であった反射特性と指向性の周波数依存性の両方を同時に改善するアンテナ設計が容易となる。また、本実施形態で説明したアンテナ最適設計方法により得られたアンテナは、広帯域で指向性および反射特性が優れているため、該アンテナを情報通信機器に備えることにより広帯域で良好な通信状態を実現できる。
本実施形態では、最適化手法として遺伝的アルゴリズムを用いた場合について説明したが、本アンテナ最適設計方法では、遺伝的アルゴリズム以外に勾配法、最急降下法、ニュートン法、実験計画法、シミュレーテッド・アニーリングなど様々な最適化手法を使用することが可能であり、設計対象に応じて適切に定めることができる。
また、本発明のアンテナ最適設計方法により得られたアンテナの形状は、テーパーの形状がａ／（１＋ｅｘｐ（ｂｘ＋ｃ））で表され、接地された第２素子の形状は、ｘを前記第２素子の回転体軸方向の位置座標、ｍ、ｎを任意の定数としたとき、側面が楕円の式ｎ（１−（ｘ／ｍ）2）1/2で表される回転体形状である数式に完全に一致していなくとも、数式で表現される形状に近い形状であれば同等の効果を得ることができる。
また、本実施形態で説明したアンテナ最適設計方法は、当該方法をコンピュータに実行させるプログラムによって、パーソナルコンピュータやワークステーション等によって実現することができる。この場合、コンピュータに当該方法を実行させることのできるプログラムは、磁気ディスク（フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクなど）、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなど）、半導体メモリなどの記録媒体に格納して頒布することができる。
FIG. 5 is a diagram showing frequency characteristics of reflection loss of a conventional biconical antenna and an optimized antenna. The optimized antenna shown by the solid line has a reduced reflection loss over a wide band compared to the biconical antenna shown by the broken line, and shows a good wideband characteristic with a return loss of -10 dB or less at 3 GHz or more. I understand.
As described above, by using the antenna optimum design method described in the present embodiment, it is easy to design an antenna that simultaneously improves both the reflection characteristics and the frequency dependence of directivity, which were difficult with the conventional method. In addition, since the antenna obtained by the antenna optimum design method described in this embodiment has excellent directivity and reflection characteristics in a wide band, it is possible to realize a good communication state in a wide band by providing the antenna in an information communication device. it can.
In this embodiment, the case where a genetic algorithm is used as an optimization method has been described. However, in this antenna optimum design method, in addition to the genetic algorithm, the gradient method, steepest descent method, Newton method, experiment design method, simulated Various optimization methods such as annealing can be used, and can be determined appropriately according to the design object.
The antenna shape obtained by the antenna optimum design method of the present invention is such that the taper shape is represented by a / (1 + exp (bx + c)), and the shape of the grounded second element is x as the second element. When the position coordinates in the direction of the rotating body axis, and m and n are arbitrary constants, the formula is a rotating body shape represented by the formula n (1- (x / m) 2 ) 1/2 whose side surface is an ellipse. Even if they do not match completely, the same effect can be obtained if the shape is close to the shape expressed by the mathematical formula.
Further, the antenna optimum design method described in the present embodiment can be realized by a personal computer, a workstation, or the like by a program that causes a computer to execute the method. In this case, a program capable of causing the computer to execute the method is stored in a recording medium such as a magnetic disk (floppy (registered trademark) disk, hard disk, etc.), an optical disk (CD-ROM, DVD, etc.), or a semiconductor memory. Can be distributed.
図６は本発明の第２の実施形態においてアンテナ最適設計を行う初期モデルとして採用したアンテナ形状を示す断面図である。このアンテナは、同軸線路５３の信号線５２に接続された回転体状の第１素子（放射素子）５０と円板状の第２素子（地板）５１とで構成され、ディスコーンアンテナに類する。最適化されるアンテナの電波の主放射方向を斜め方向に向けたい場合には、初期モデルをディスコーンアンテナとすることが有効である。
図６において、第１素子５０の側面上に設定した３点の座標（ｘ１，ｚ１）、（ｘ２，ｚ２）、（ｘ３，ｚ３）をアンテナ形状パラメータとした。アンテナ形状パラメータの最適化手法として遺伝的アルゴリズムを使用し、形状パラメータを遺伝子情報として持つ個体の母集団を生成し、評価処理、選択処理、変異処理を繰り返すことにより前記形状パラメータの最適化を行った。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an antenna shape adopted as an initial model for optimal antenna design in the second embodiment of the present invention. This antenna is composed of a rotating first element (radiating element) 50 and a disk-shaped second element (ground plate) 51 connected to the signal line 52 of the coaxial line 53, and is similar to a discone antenna. When it is desired to direct the main radiation direction of the radio wave of the antenna to be optimized in an oblique direction, it is effective to use the initial model as a discone antenna.
In FIG. 6, the coordinates (x1, z1), (x2, z2), and (x3, z3) of three points set on the side surface of the first element 50 are used as antenna shape parameters. A genetic algorithm is used as an antenna shape parameter optimization method, a population of individuals having the shape parameter as genetic information is generated, and the shape parameter is optimized by repeating the evaluation process, selection process, and mutation process. It was.
図７は本発明の第２の実施形態の評価処理を実行するための評価関数の処理工程図である。本実施形態のアンテナ最適設計方法においては、評価値は指向性の周波数依存性のみから決定し、反射特性の評価は行わない。
ＳＴＥＰ１の指向性算出工程においては、母集団の各個体が持つ遺伝子情報である形状パラメータに基づいて計算モデルを生成し、ＦＤＴＤ法を使用して１０ＧＨｚ、１５ＧＨｚ、２０ＧＨｚ、２５ＧＨｚ、３０ＧＨｚにおける指向性Ｇ（θ，ｆ）を算出する。ここで指向性とは、観測角度に対する利得Ｇの変化であり、観測角度θと周波数ｆの関数で表現される。観測角度θは、アンテナの天頂方向をθ＝０°、水平方向をθ＝９０°とした。
ＳＴＥＰ２の分散算出工程においては、先ずＳＴＥＰ１で算出した指向性Ｇ（θ，ｆ）の平均指向性、すなわち観測角度θに対する利得の平均値Ｇａｖｇ（θ）を算出する。次に、指向性Ｇ（θ，ｆ）の平均指向性Ｇａｖｇ（θ）からの分散Ｖ（ｆ）をｆ＝１０、１５、２０、２５、３０ＧＨｚ（周波数分割数Ｎ＝５）の各周波数について以下の式により算出する。Ｍは観測角度分割数、θ１は評価開始角度、θＭは評価終了角度を示す。
観測角度θの評価範囲は、θ＝２０〜９０°とした。観測角度θの評価範囲において、観測角度ステップを１°としたので角度分割数Ｍ＝７１である。
ＳＴＥＰ３の評価値算出工程においては、ＳＴＥＰ２で算出した分散Ｖ（ｆ）の周波数に対する平均値を算出し、これを評価値Ｓｃｏｒｅとする。Ｎは周波数分割数、ｆ１は評価開始周波数、ｆＮは評価終了周波数を示し、本実施形態では、Ｎ＝５、ｆ１＝１０ＧＨｚ、ｆＮ＝ｆ５＝３０ＧＨｚである。
ＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ３を順に実行することにより算出された評価値は、その値が小さいほど周波数に対する指向性のばらつきが小さいことを示すので、指向性のばらつきを定量化し最適化により改善するための評価値として適している。
FIG. 7 is a process diagram of the evaluation function for executing the evaluation process of the second embodiment of the present invention. In the antenna optimum design method of this embodiment, the evaluation value is determined only from the directivity frequency dependence, and the reflection characteristic is not evaluated.
In the directivity calculation step of STEP1, a calculation model is generated based on a shape parameter that is genetic information of each individual of the population, and the directivity G at 10 GHz, 15 GHz, 20 GHz, 25 GHz, and 30 GHz using the FDTD method. (Θ, f) is calculated. Here, the directivity is a change in the gain G with respect to the observation angle, and is expressed as a function of the observation angle θ and the frequency f. The observation angle θ was θ = 0 ° in the zenith direction of the antenna and θ = 90 ° in the horizontal direction.
In the dispersion calculation step of STEP2, first, the average directivity of the directivity G (θ, f) calculated in STEP1, that is, the average value Gavg (θ) of the gain with respect to the observation angle θ is calculated. Next, the dispersion V (f) of the directivity G (θ, f) from the average directivity Gavg (θ) is set for each frequency of f = 10, 15, 20, 25, and 30 GHz (frequency division number N = 5). It is calculated by the following formula. M is the number of observation angle divisions, θ1 is the evaluation start angle, and θM is the evaluation end angle.
In the evaluation value calculation step of STEP3, an average value for the frequency of the variance V (f) calculated in STEP2 is calculated, and this is set as an evaluation value Score. N is the frequency division number, f1 is the evaluation start frequency, and fN is the evaluation end frequency. In this embodiment, N = 5, f1 = 10 GHz, and fN = f5 = 30 GHz.
図８に第２の実施形態のアンテナ最適設計方法を用いて得られたアンテナの形状を示す図である。図９に従来のバイコニカルアンテナおよび本発明により最適化されたアンテナの周波数１０、１５、２０、２５、３０ＧＨｚにおける指向性を示す図である。（ａ）は従来のバイコニカルアンテナの指向性であり、（ｂ）は本発明により最適化されたアンテナの指向性である。最適化されたアンテナは、バイコニカルアンテナと比較すると、角度評価範囲２０〜９０°において、周波数に対する指向性のばらつきが抑制されており、指向性の周波数依存性が改善されたことが確認できる。
このように、本実施形態で説明したアンテナ最適設計方法を用いることで、従来の方法では困難であった指向性の周波数依存性を改善するアンテナ設計が容易となる。また、本実施形態で説明したアンテナ最適設計方法により得られたアンテナは、広帯域で指向性が優れているため、該アンテナを情報通信機器に備えることにより広帯域で良好な通信状態を実現できる。
本実施形態では、最適化手法として遺伝的アルゴリズムを用いた場合について説明したが、本アンテナ最適設計方法では、遺伝的アルゴリズム以外に勾配法、最急降下法、ニュートン法、実験計画法、シミュレーテッド・アニーリングなど様々な最適化手法を使用することが可能であり、設計対象に応じて適切に定めることができる。
また、本実施形態で説明したアンテナ最適設計方法は、当該方法をコンピュータに実行させるプログラムによって、パーソナルコンピュータやワークステーション等によって実現することができる。この場合、コンピュータに当該方法を実行させることのできるプログラムは、磁気ディスク（フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクなど）、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなど）、半導体メモリなどの記録媒体に格納して頒布することができる。
FIG. 8 is a diagram showing the shape of an antenna obtained by using the antenna optimum design method of the second embodiment. FIG. 9 is a diagram showing the directivity at frequencies of 10, 15, 20, 25, and 30 GHz of the conventional biconical antenna and the antenna optimized by the present invention. (A) is the directivity of the conventional biconical antenna, (b) is the directivity of the antenna optimized by this invention. Compared with the biconical antenna, the optimized antenna suppresses the variation in directivity with respect to the frequency in the angle evaluation range of 20 to 90 °, and it can be confirmed that the frequency dependency of directivity is improved.
As described above, by using the antenna optimum design method described in the present embodiment, antenna design that improves the frequency dependency of directivity, which has been difficult with the conventional method, is facilitated. In addition, since the antenna obtained by the antenna optimum design method described in this embodiment has a wide band and excellent directivity, an excellent communication state can be realized in a wide band by providing the antenna in an information communication device.
In this embodiment, the case where a genetic algorithm is used as an optimization method has been described. However, in this antenna optimum design method, in addition to the genetic algorithm, the gradient method, steepest descent method, Newton method, experiment design method, simulated Various optimization methods such as annealing can be used, and can be determined appropriately according to the design object.
Further, the antenna optimum design method described in the present embodiment can be realized by a personal computer, a workstation, or the like by a program that causes a computer to execute the method. In this case, a program capable of causing the computer to execute the method is stored in a recording medium such as a magnetic disk (floppy (registered trademark) disk, hard disk, etc.), an optical disk (CD-ROM, DVD, etc.), or a semiconductor memory. Can be distributed.
図１０は本発明の第３の実施形態においてアンテナ最適設計を行う初期モデルとして採用したアンテナ形状を示す断面図である。このアンテナ形状は、２つの円錐状素子を円錐の頂点で向かい合わせた形状であり、バイコニカルアンテナとして従来知られている。このアンテナは、同軸線路６２によって下方から給電され、同軸線路６２の信号線６３に第１素子６０が接続され、同軸線路６２の外導体（接地導体）６４に第２素子６１が接続されている。
図１０において、第１素子６０および第２素子６１の側面上に設定した１２点の座標（ｘ１，ｚ１）、（ｘ２，ｚ２）、（ｘ３，ｚ３）、（ｘ４，ｚ４）、（ｘ５，ｚ５）、（ｘ６，ｚ６）、（ｘ７，ｚ７）、（ｘ８，ｚ８）、（ｘ９，ｚ９）、（ｘ１０，ｚ１０）、（ｘ１１，ｚ１１）、（ｘ１２，ｚ１２）をアンテナ形状パラメータとした。このアンテナ形状パラメータの最適化手法として遺伝的アルゴリズムを使用し、形状パラメータを遺伝子情報として持つ個体の母集団を生成し、評価処理、選択処理、変異処理を繰り返すことにより前記形状パラメータの最適化を行った。
本実施形態において、前記評価処理を実行するための評価関数の処理工程は、図２に示す第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。
図１１は本実施形態のアンテナ最適設計方法を用いて得られたアンテナの形状を示す図である。このアンテナの形状は、第１の実施形態で最適化されたアンテナの形状によく似ており、第１の実施形態の場合と同様の数式で表現される。
図１２に従来のバイコニカルアンテナおよび本発明により最適化されたアンテナの周波数１０、１５、２０、２５、３０ＧＨｚにおける指向性を示す図である。（ａ）は従来のバイコニカルアンテナの指向性であり、（ｂ）は本発明により最適化されたアンテナの指向性である。最適化されたアンテナは、バイコニカルアンテナと比較すると、角度評価範囲５０〜１３０°において、周波数に対する指向性のばらつきが抑制されており、指向性の周波数依存性が改善されたことが確認できる。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing an antenna shape adopted as an initial model for optimal antenna design in the third embodiment of the present invention. This antenna shape is a shape in which two conical elements face each other at the apex of a cone, and is conventionally known as a biconical antenna. This antenna is fed from below by a
In FIG. 10, the coordinates (x1, z1), (x2, z2), (x3, z3), (x4, z4), (x5, 12 points) set on the side surfaces of the
In the present embodiment, the processing steps of the evaluation function for executing the evaluation processing are the same as those in the first embodiment shown in FIG.
FIG. 11 is a diagram showing the shape of an antenna obtained by using the antenna optimum design method of the present embodiment. The shape of this antenna is very similar to the shape of the antenna optimized in the first embodiment, and is expressed by the same mathematical expression as in the case of the first embodiment.
FIG. 12 is a diagram showing directivity at
また、図１３に従来のバイコニカルアンテナおよび本発明により最適化されたアンテナの反射損失の周波数特性を示す図である。実線により示す本発明で最適化されたアンテナは、破線で示す従来のバイコニカルアンテナと比較すると広帯域にわたって反射損失が低減されており、３ＧＨｚ以上でリターンロスが−１０ｄＢ以下と良好な広帯域特性を示す。
このように、本実施形態で説明したアンテナ最適設計方法を用いることで、従来の方法では困難であった反射特性と指向性の周波数依存性の両方を同時に改善するアンテナ設計が容易となる。また、本実施形態で説明したアンテナ最適設計方法により得られたアンテナは、広帯域で指向性および反射特性が優れているため、該アンテナを情報通信機器に備えることにより広帯域で良好な通信状態を実現できる。
本実施形態では、最適化手法として遺伝的アルゴリズムを用いた場合について説明したが、本アンテナ最適設計方法では、遺伝的アルゴリズム以外に勾配法、最急降下法、ニュートン法、実験計画法、シミュレーテッド・アニーリングなど様々な最適化手法を使用することが可能であり、設計対象に応じて適切に定めることができる。
また、本実施形態で説明したアンテナ最適設計方法は、当該方法をコンピュータに実行させるプログラムによって、パーソナルコンピュータやワークステーション等によって実現することができる。この場合、コンピュータに当該方法を実行させることのできるプログラムは、磁気ディスク（フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクなど）、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなど）、半導体メモリなどの記録媒体に格納して頒布することができる。
FIG. 13 is a diagram showing the frequency characteristics of the reflection loss of the conventional biconical antenna and the antenna optimized by the present invention. The antenna optimized by the present invention indicated by a solid line has a reduced reflection loss over a wide band as compared with a conventional biconical antenna indicated by a broken line, and exhibits a good wideband characteristic with a return loss of -10 dB or less at 3 GHz or more. .
As described above, by using the antenna optimum design method described in the present embodiment, it is easy to design an antenna that simultaneously improves both the reflection characteristics and the frequency dependence of directivity, which were difficult with the conventional method. In addition, since the antenna obtained by the antenna optimum design method described in this embodiment has excellent directivity and reflection characteristics in a wide band, it is possible to realize a good communication state in a wide band by providing the antenna in an information communication device. it can.
In this embodiment, the case where a genetic algorithm is used as an optimization method has been described. However, in this antenna optimum design method, in addition to the genetic algorithm, the gradient method, steepest descent method, Newton method, experiment design method, simulated Various optimization methods such as annealing can be used, and can be determined appropriately according to the design object.
Further, the antenna optimum design method described in the present embodiment can be realized by a personal computer, a workstation, or the like by a program that causes a computer to execute the method. In this case, a program capable of causing the computer to execute the method is stored in a recording medium such as a magnetic disk (floppy (registered trademark) disk, hard disk, etc.), an optical disk (CD-ROM, DVD, etc.), or a semiconductor memory. Can be distributed.
図１４は本発明の第４の実施形態においてアンテナ最適設計を行う初期モデルとして採用したアンテナ形状を示す断面図である。このアンテナ形状は、２つの円錐状素子を円錐の頂点で向かい合わせた形状であり、バイコニカルアンテナとして従来知られている。このアンテナは、同軸線路７３によって下方から給電され、同軸線路７３の信号線７２に第１素子７０が接続され、同軸線路７３の外導体（接地導体）７４に第２素子が接続されている。
図１４において、第１素子７０および第２素子７１の側面上に設定した１０点の座標（ｘ１，ｚ１）、（ｘ２，ｚ２）、（ｘ３，ｚ３）、（ｘ４，ｚ４）、（ｘ５，ｚ５）、（ｘ６，ｚ６）、（ｘ７，ｚ７）、（ｘ８，ｚ８）、（ｘ９，ｚ９）、（ｘ１０，ｚ１０）をアンテナ形状パラメータとした。アンテナ形状パラメータの最適化手法として遺伝的アルゴリズムを使用し、形状パラメータを遺伝子情報として持つ個体の母集団を生成し、評価処理、選択処理、変異処理を繰り返すことにより前記形状パラメータの最適化を行った。
本実施形態において、前記評価処理を実行するための評価関数の処理フローは、図２に示す第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。
FIG. 14 is a cross-sectional view showing an antenna shape adopted as an initial model for optimal antenna design in the fourth embodiment of the present invention. This antenna shape is a shape in which two conical elements face each other at the apex of a cone, and is conventionally known as a biconical antenna. This antenna is fed from below by a
In FIG. 14, the coordinates (x1, z1), (x2, z2), (x3, z3), (x4, z4), (x5, 10 points) set on the side surfaces of the first element 70 and the second element 71. z5), (x6, z6), (x7, z7), (x8, z8), (x9, z9), and (x10, z10) were antenna shape parameters. A genetic algorithm is used as an antenna shape parameter optimization method, a population of individuals having the shape parameter as genetic information is generated, and the shape parameter is optimized by repeating the evaluation process, selection process, and mutation process. It was.
In this embodiment, the process flow of the evaluation function for executing the evaluation process is the same as that of the first embodiment shown in FIG.
図１５（Ａ）は本実施形態のアンテナ最適設計方法を用いて得られたアンテナの形状を示す図である。図１５（Ｂ）に示すように、このアンテナの第１素子７０の側面形状は、以下のような関数形で記述される。
ここで、ｘは第１素子の回転体軸方向の位置座標であり、ａ、ｂ、ｃは定数である。
また、第２素子の側面形状は、以下のような楕円を表す式で記述される。
ここで、ｘは第２素子の回転体軸方向の位置座標であり、ｍ、ｎは定数である。
図１６に従来のバイコニカルアンテナおよび最適化されたアンテナの周波数１０、１５、２０、２５、３０ＧＨｚにおける指向性を示す図である。（ａ）は従来のバイコニカルアンテナの指向性であり、（ｂ）は本発明により最適化されたアンテナの指向性である。本発明により最適化されたアンテナは、バイコニカルアンテナと比較すると、角度評価範囲５０〜１３０°において、周波数に対する指向性のばらつきが抑制されており、指向性の周波数依存性が改善されたことが確認できる。
FIG. 15A is a diagram showing the shape of an antenna obtained by using the antenna optimum design method of the present embodiment. As shown in FIG. 15B, the side shape of the first element 70 of this antenna is described in the following functional form.
Further, the side surface shape of the second element is described by the following equation representing an ellipse.
FIG. 16 is a diagram illustrating the directivity of the conventional biconical antenna and the optimized antenna at frequencies of 10, 15, 20, 25, and 30 GHz. (A) is the directivity of the conventional biconical antenna, (b) is the directivity of the antenna optimized by this invention. When compared with a biconical antenna, the antenna optimized according to the present invention suppresses the variation in directivity with respect to frequency in the angle evaluation range of 50 to 130 °, and the frequency dependency of directivity is improved. I can confirm.
また、図１７は従来のバイコニカルアンテナおよび最適化されたアンテナの反射損失の周波数特性を示す図である。実線で示す本発明により最適化されたアンテナは、バイコニカルアンテナと比較すると広帯域にわたって反射損失が低減されている。
このように、本実施形態で説明したアンテナ最適設計方法を用いることで、従来の方法では困難であった反射特性と指向性の周波数依存性の両方を同時に改善するアンテナ設計が容易となる。また、本実施形態で説明したアンテナ最適設計方法により得られたアンテナは、広帯域で指向性および反射特性が優れているため、該アンテナを情報通信機器に備えることにより広帯域で良好な通信状態を実現できる。
本実施形態では、最適化手法として遺伝的アルゴリズムを用いた場合について説明したが、本アンテナ最適設計方法では、遺伝的アルゴリズム以外に勾配法、最急降下法、ニュートン法、実験計画法、シミュレーテッド・アニーリングなど様々な最適化手法を使用することが可能であり、設計対象に応じて適切に定めることができる。
また、本発明のアンテナ最適設計方法により得られたアンテナの形状は、第１の実施形態の場合と同様の数式に完全に一致していなくとも、この数式で表現される形状に近い形状であれば同等の効果を得ることができる。
また、本実施形態で説明したアンテナ最適設計方法は、当該方法をコンピュータに実行させるプログラムによって、パーソナルコンピュータやワークステーション等によって実現することができる。この場合、コンピュータに当該方法を実行させることのできるプログラムは、磁気ディスク（フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクなど）、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなど）、半導体メモリなどの記録媒体に格納して頒布することができる。
以上、実施形態に基づき本発明の説明を行ってきたが、上記実施形態に上げた方法、その他の要素との組み合わせなど、ここで示した要件に本発明が限定されるものでは決してない。これらの点に関しては、本発明の主旨を損なわない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。
FIG. 17 is a diagram showing the frequency characteristics of the reflection loss of the conventional biconical antenna and the optimized antenna. The antenna optimized by the present invention indicated by a solid line has a reflection loss reduced over a wide band compared to a biconical antenna.
As described above, by using the antenna optimum design method described in the present embodiment, it is easy to design an antenna that simultaneously improves both the reflection characteristics and the frequency dependence of directivity, which were difficult with the conventional method. In addition, since the antenna obtained by the antenna optimum design method described in this embodiment has excellent directivity and reflection characteristics in a wide band, it is possible to realize a good communication state in a wide band by providing the antenna in an information communication device. it can.
In this embodiment, the case where a genetic algorithm is used as an optimization method has been described. However, in this antenna optimum design method, in addition to the genetic algorithm, the gradient method, steepest descent method, Newton method, experiment design method, simulated Various optimization methods such as annealing can be used, and can be determined appropriately according to the design object.
In addition, the shape of the antenna obtained by the antenna optimum design method of the present invention may be a shape close to the shape expressed by this formula even if it does not completely match the same formula as in the first embodiment. Equivalent effects can be obtained.
Further, the antenna optimum design method described in the present embodiment can be realized by a personal computer, a workstation, or the like by a program that causes a computer to execute the method. In this case, a program capable of causing the computer to execute the method is stored in a recording medium such as a magnetic disk (floppy (registered trademark) disk, hard disk, etc.), an optical disk (CD-ROM, DVD, etc.), or a semiconductor memory. Can be distributed.
Although the present invention has been described based on the embodiments, the present invention is by no means limited to the requirements shown here, such as the methods described in the above embodiments and combinations with other elements. These points can be changed within a range that does not impair the gist of the present invention, and can be appropriately determined according to the application form.
θ：観測角度
ｆ：周波数
Ｇ（θ，ｆ）：指向性（観測角度θ，周波数ｆにおける利得）
Ｇａｖｇ（θ）：平均指向性
Ｖ（ｆ）：Ｇ（θ，ｆ）のＧａｖｇ（θ）からの分散
Ｎ：周波数分割数
ｆ１：評価開始周波数
ｆＮ：評価終了周波数
Ｍ：観測角度分割数
θ１：評価開始角度
θＭ：評価終了角度
Ｐ：反射特性性能値
Ｓｃｏｒｅ：評価値
θ: observation angle f: frequency G (θ, f): directivity (gain at observation angle θ, frequency f)
Gavg (θ): average directivity V (f): variance of G (θ, f) from Gavg (θ) N: frequency division number f1: evaluation start frequency fN: evaluation end frequency M: observation angle division number θ1: Evaluation start angle θM: Evaluation end angle P: Reflection characteristic performance value Score: Evaluation value
Claims (14)
前記円錐状素子の側面上に設定した複数の点座標をアンテナ形状パラメータとし、複数の周波数及び観測角度を用いて前記観測角度に対する利得の変化を算出する利得算出工程と、前記複数の周波数における各利得の分散を算出する分散算出工程と、前記分散算出工程にて算出した前記分散に基づいて評価値を算出する評価値算出工程と、を順に実行する評価関数処理工程と、
前記アンテナ形状パラメータとは異なるアンテナ形状パラメータを再設定するパラメータ再設定工程と、を含み、
前記評価関数処理工程と前記パラメータ再設定工程とを繰り返し行って、前記評価値が小さくなるようなアンテナ形状パラメータを選択することによりアンテナ形状を設計することを特徴とするアンテナ設計方法。 This is an antenna design method in which an antenna with two conical elements facing each other at the apex is designed to have a shape with better characteristics by a computer by repeatedly setting the antenna shape parameter and evaluating the antenna under the antenna shape parameter. And
A plurality of point coordinates is set on a side surface of the conical element and the antenna shape parameter, a gain calculating step of calculating a gain change of with respect to the observation angle by using a frequency and observation angles of multiple, in the plurality of frequency An evaluation function processing step for sequentially executing a variance calculation step for calculating variance of each gain , and an evaluation value calculation step for calculating an evaluation value based on the variance calculated in the variance calculation step ;
A parameter resetting step for resetting an antenna shape parameter different from the antenna shape parameter,
An antenna design method for designing an antenna shape by repeatedly performing the evaluation function processing step and the parameter resetting step and selecting an antenna shape parameter that reduces the evaluation value .
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