JP3953733B2 - アレーアンテナ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、多周波数共用のアレーアンテナ装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図5は、例えば、「2周波共用アレーアンテナの素子配列法と利得」(後藤尚久・神山一公、信学技報AP81-40、電子情報通信学会発行、1981年6月26日)に示された図を参考とした従来の2周波共用アレーアンテナの構成図である。図において、1は高周波数帯で使用する高域用素子アンテナ、2は低周波数帯で使用する低域用素子アンテナであり、3は高域用素子アンテナの放射パターンを示したものである。
【0003】
このアレーアンテナでは、低域用素子アンテナ2および高域用素子アンテナ1の配列において、それぞれ低周波数帯および高周波数帯で広角にグレーティングローブが発生しないように上記低域用素子アンテナ2と高域用素子アンテナ1を規則正しく周期的に同一開口面上に配置させることで2周波数共用特性を得るものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の多周波共用アレーアンテナでは、異なった周波数帯で使用する素子アンテナをそれぞれ規則正しく周期的に配置するために、ある周波数帯で使用する素子アンテナの影響を受け、他の周波数帯で使用する素子アンテナの放射パターンが乱れ、この乱れた放射パターンが周期的に発生することによりアレーアンテナの放射指向性に悪影響を及ぼすという問題点があった。
【0005】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、他の周波数帯の影響を受けて素子アンテナに周期的に生ずる放射パターンの乱れを打ち消し、所望の放射指向性を有するアレーアンテナを実現することを目的とするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るアレーアンテナは、複数の周波数帯のそれぞれで使用する素子アンテナが同一開口面上に配列され、上記複数の周波数帯における所定の組み合わせからなる二つの周波数帯で使用する素子アンテナを第1の素子アンテナと第2の素子アンテナとし、上記第1の素子アンテナの一部が第2の素子アンテナの影響を受け本来持つ放射パターンが変化するようなアレーアンテナにおいて、第1の素子アンテナの配置に対する第2の素子アンテナの配置を定めた配置パターンに応じて前記第1の素子アンテナの放射パターンを複数用意し、上記配置パターンを遺伝子表現のための構成要素とし、第1の素子アンテナにおける放射パターンのサイドローブレベルを評価関数として遺伝的アルゴリズムによる計算を行い、上記評価関数が最大となる上記配置パターンの組合せを特定することにより上記第1の素子アンテナに対する上記第2の素子アンテナの不等間隔配置を最適化するものである。
【0007】
また、上記遺伝的アルゴリズムは、上記第1の素子アンテナにおける放射パターンのビーム幅を評価関数に含み、上記第1の素子アンテナの振幅・位相を最適化するものである。
【0008】
また、上記遺伝的アルゴリズムは、上記第1の素子アンテナから生ずる放射ビームの振幅・位相を遺伝子に含み、上記第1の素子アンテナから生ずる放射ビームの振幅・位相を最適化するものである。
【0009】
また、上記遺伝的アルゴリズムは、上記第2の素子アンテナにおける放射パターンのサイドローブレベルを評価関数に含むものである。
【0010】
さらに、上記遺伝子アルゴリズムは、上記第1の素子アンテナの配置を遺伝子に含み、上記第1の素子アンテナの配置を最適化するものである。
【0011】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係るアレーアンテナの構成図である。なお、ここでは、2周波共用アレーアンテナに基いて本発明の説明をする。
図において、1は高周波数帯で使用する高域用素子アンテナ、2は低周波数帯で使用する低域用素子アンテナであり、ともに同一開口面上に配列されたものである。3は高周波素子アンテナ1の放射パターンを示すものである。
【0012】
次に動作について説明する。一般に、アンテナの近傍に位置し、大きさがアンテナの波長に比べて無視できない散乱体が存在する場合、散乱体に誘起される電流による電波放射と散乱体によるブロッキングの影響からアンテナの放射パターンは乱れる。図1のアレーアンテナでは、高周波数帯域で使用する場合、高域用素子アンテナ1を励振すると低域用素子アンテナ2に電流が誘起され、これにより再放射する。また、素子アンテナとして、例えばダイポールアンテナやノッチアンテナなどを用いた場合には、低域用素子アンテナ2によるブロッキングの影響がある。これらの原因により放射パターンが乱された高域用素子アンテナ1が低域用素子アンテナ2の近傍に発生するが、上記低域用素子アンテナ2の配置を後述する遺伝的アルゴリズムによる計算により求め不等間隔配置することにより、上記高域用素子アンテナ1からの再放射およびブロッキングの影響が周期性を持つことを防ぎ、放射パターンのサイドローブレベル低減を実現できる。
【0013】
図2は、一般的な遺伝的アルゴニズムによる最適化処理を示したものである。遺伝的アルゴリズムとは生物の進化の過程を模倣し、その適応プロセスをある問題に対して取り入れる手法である。
以下、図2に基づき本実施の形態1の最適解を得るまでの具体的手法について説明する。
【0014】
まず、解くべき問題の解に対する遺伝子表現を決定する必要がある[ステップ1]。本実施の形態1においては、低域用素子アンテナ2の配置を遺伝子表現する。例えば、高域用素子アンテナ1の素子パターンは等間隔配列であり、低域用素子アンテナ2の素子パターンは等間隔配列から左右に1cmづつ移動可能であるとする。その場合の素子パターンをそれぞれ図3の(a)〜(c)に示す。図3において、(a)は等間隔配列時と同様に低域用素子アンテナ2は移動していないものであり、(b)は低域用素子アンテナ2の素子パターンを左に1cm移動したものであり、(c)は低域用素子アンテナ2の素子パターンを右に1cm移動したものである。図3(a)〜(c)に示したそれぞれの配置パターンを遺伝子表現のための構成要素としてそれぞれ順に記号A、B、Cで表わすとすれば、A、B、Cの中から任意の3種を組み合わせてなるアンテナの配置パターンは、AAA、BBB、CCC、AAB、AAC等の27通り想定することができる。このように、記号A、B、Cは遺伝子の構造にあたり、前記3桁の文字列(AAB等)の組み合わせが遺伝子表現された素子アンテナにあたる。
【0015】
次に、ランダムに初期世代の集団(個体数m)を生成する[ステップ2]。上記の、3個のアンテナの配置パターンでは27通り(個体数27)までの素子配置が生成できることになる。したがって、この個体数mは遺伝子の組み合わせ数に対応した数値を上限として設定することができる。
【0016】
続いて、現在の集団の各固体に対する適合度の計算を行う[ステップ3]。この適合度は、あらかじめ定義した評価関数に遺伝子の示す値を代入した時の返り値であり、この返り値が大きい程、目的とする解に近い(適合度の高い)優秀な遺伝子であることを示す。本実施の形態1では評価関数として素子アンテナ1の放射パターンのサイドローブレベルを導出する関数を規定する。例えば、適合度GsがGs=X(a)なる評価関数で表わせる場合(aは遺伝子とする)、遺伝子AAAの適合度はGs=X(AAA)として求められる。
【0017】
次に、適合度をスケーリングする[ステップ4]。スケーリングは、遺伝子集団の適合度が同程度に固まらない様、分布を付けるために行う。
続いて、遺伝子集団から2つの遺伝子を選択する[ステップ5]。選択方法は幾つかあるが、適合度が高いものほど選択されるようにしている。
選択した2つの遺伝子に対し、交叉や突然変異などの遺伝子操作を行う事により、新たな2つの遺伝子を生成する[ステップ6]。ここでいう、交叉とは、選択した2つの遺伝子をそれぞれ2つに分割し、分割した一方を互いの遺伝子と入れかえることにより、2つの新たな次世代の遺伝子を生成することをいう。したがって、実施の形態1においては、2つの遺伝子がそれぞれ(ABC)、(BBA)と表現される3つの構成要素からなる場合に、交叉点を境に2つに切り離した2つの遺伝子をそれぞれ(AB)|(C)、(BB)|(A)としたとき、それぞれの後部にあたる構成要素(C)と(A)とを入れかえることにより、次世代の遺伝子構成要素を含む(ABA)、(BBC)を作り出すことをいう。また、突然変異とは、前記交叉点より後部にあたる構成要素(C)、(A)を全く別の(B)として、次世代の遺伝子構成要素を含む(ABB)と(BBB)を作り出すことをいう。
この新たな遺伝子を生成する作業を遺伝子があらかじめ規定した個数になるまで繰り返し続ける[ステップ7]。そして、世代数があらかじめ規定した数に達したならば、その時点で適合度最大の遺伝子、つまり低域用素子アンテナ2の配置がこの一連の遺伝的アルゴリズムによる計算により求められた最適解である[ステップ8]。
【0018】
また、放射パターンのサイドローブレベルは複数のビーム指向方向について評価することも可能である。評価項目が複数の場合、各評価項目についての優先順位を決定し、その優先順位を評価関数に反映しておく必要がある。
【0019】
以上のような手法により遺伝子を求め、低域用素子アンテナ2の配置を決定し低域用素子アンテナ2を不等間隔配列することにより、乱れた放射パターンを打ち消し、所望のサイドローブレベルを有するアレーアンテナを実現することができる。
【0020】
実施の形態2.
本実施の形態2では、上記実施の形態1に加え、高域用素子アンテナ1の放射パターンのビーム幅が所望の値に近づくと適合度が大きくなるような2つの評価項目を有する評価関数として、高域用素子アンテナ1の振幅・位相を最適化している。このようにすることで、上記実施の形態1の特性に加えて、所望のビーム幅を有するアレーアンテナを実現することができる。
【0021】
実施の形態3.
本実施の形態3では、上記実施の形態1または2に加え、高域用素子アンテナ1から生ずる放射ビームの振幅・位相を遺伝子に含むことで、上記高域用素子アンテナ1から生ずる放射ビームの振幅・位相を最適化している。このようにすることで、上記実施の形態1または2に比べてより適合度の高いアレーアンテナを実現することができる。
【0022】
実施の形態4.
本実施の形態4では、上記実施の形態1〜3のいずれかに加え、低域用素子アンテナ2の素子パターンを用意し、低域用素子アンテナ2の放射パターンのサイドローブレベルが下がると適合度が大きくなるように評価関数を変更するか、または低域用素子アンテナ2の放射パターンのビーム幅が所望の値に近づくと適合度が大きくなるように評価関数を変更する。このようにすることで、上記実施の形態1〜3の特性に加えて、上記低域用素子アンテナ2の放射パターンのサイドローブレベル、またはビーム幅について所望の特性を有するアレーアンテナを実現することができる。
【0023】
実施の形態5.
図4は本実施の形態5に係るアレーアンテナの構成図と、高域用素子アンテナ1の放射パターンを示すものである。
図4のアレーアンテナでは、本実施の形態1と同様に、高周波数帯域で使用する場合、高域用素子アンテナ1を励振すると低域用素子アンテナ2に電流が誘起され、これにより再放射する。本実施の形態5では、上記実施の形態1〜4のいずれかに加え、高域用素子アンテナ1の配置を遺伝子に含み、上記評価関数に当てはめる。このようにすることで、上記実施の形態1〜4の特性に加えて、高域用素子アンテナ1の放射パターンのサイドローブレベル、またはビーム幅について所望の特性を有するアレーアンテナを実現することができる。
【0024】
以上の実施の形態では、2周波数共用のアレーアンテナを例として述べてきたが、本発明は2周波数共用のアレーアンテナのみに限らず、さらに多周波を共用するアレーアンテナにおいても同様に機能し、サイドローブレベルを抑え所望の放射指向特性が実現できる。その場合、所望の周波数帯の組に対して、本発明を適用すればよい。
【0025】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、他の周波数帯で使用する素子アンテナの放射パターンに悪影響を及ぼす素子アンテナの位置を、放射パターンのサイドローブレベルを評価関数に含んだ遺伝的アルゴリズムによる計算から決定したことにより、放射パターンに影響を与える素子アンテナを不等間隔に配置したので、多周波共用アレーアンテナのサイドローブレベルの低減を実現することができる。
【0026】
また、上記の放射パターンが影響を受ける素子アンテナの放射パターンのビーム幅を評価関数に含めたことにより、所望のビーム幅を有する多周波共用のアレーアンテナを実現することができる。
【0027】
また、上記の影響を及ぼされる素子アンテナの振幅・位相を遺伝子に含んだことにより、より優れた特性を有する多周波共用のアレーアンテナを実現することができる。
【0028】
また、上記の悪影響を及ぼす素子アンテナの放射パターンのサイドローブレベルおよびビーム幅を評価関数に含んだことにより、影響を及ぼす素子アンテナの放射パターンが所望の特性を有する多周波共用のアレーアンテナを実現することができる。
【0029】
また、上記の影響を及ぼされる素子アンテナの位置を評価関数に含んだことにより、より優れた特性を有する多周波共用のアレーアンテナを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1におけるアレーアンテナの構成図である。
【図2】 一般的な遺伝的アルゴリズムによる最適化処理のフローチャートである。
【図3】 この発明の実施の形態1における1つの素子アンテナの配置パターンを示す図である。
【図4】 この発明の実施の形態5におけるアレーアンテナの構成図である。
【図5】 従来の2周波共用アレーアンテナの構成図である。
【符号の説明】
1 高域用素子アンテナ、2 低域用素子アンテナ、3 高域用素子アンテナ1の放射パターン。
Claims (5)
- 複数の周波数帯のそれぞれで使用する素子アンテナが同一開口面上に配列され、上記複数の周波数帯における所定の組み合わせからなる二つの周波数帯で使用する素子アンテナを第1の素子アンテナと第2の素子アンテナとし、上記第1の素子アンテナの一部が第2の素子アンテナの影響を受け本来持つ放射パターンが変化するようなアレーアンテナにおいて、
第1の素子アンテナの配置に対する第2の素子アンテナの配置を定めた配置パターンに応じて上記第1の素子アンテナの放射パターンを複数用意し、上記配置パターンを遺伝子表現のための構成要素とし、第1の素子アンテナにおける放射パターンのサイドローブレベルを評価関数として遺伝的アルゴリズムによる計算を行い、上記評価関数が最大となる上記配置パターンの組合せを特定することにより上記第1の素子アンテナに対する上記第2の素子アンテナの不等間隔配置を最適化することを特徴とするアレーアンテナ。 - 請求項1に記載のアレーアンテナにおいて、
上記遺伝的アルゴリズムは、上記第1の素子アンテナにおける放射パターンのビーム幅を評価関数に含み、上記第1の素子アンテナの振幅・位相を最適化することを特徴とするアレーアンテナ。 - 請求項1または2に記載のアレーアンテナにおいて、
上記遺伝的アルゴリズムは、上記第1の素子アンテナから生ずる放射ビームの振幅・位相を遺伝子に含み、上記第1の素子アンテナから生ずる放射ビームの振幅・位相を最適化することを特徴とするアレーアンテナ。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載のアレーアンテナにおいて、
上記遺伝的アルゴリズムは、上記第2の素子アンテナにおける放射パターンのサイドローブレベルを評価関数に含むことを特徴とするアレーアンテナ。 - 請求項1乃至4のいずれかに記載のアレーアンテナにおいて、
上記遺伝子アルゴリズムは、上記第1の素子アンテナの配置を遺伝子に含み、上記第1の素子アンテナの配置を最適化することを特徴とするアレーアンテナ。
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