JP6672938B2 - Frequency selection board design method and frequency selection board design program - Google Patents
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Description
本発明は、周波数選択板の設計方法および周波数選択板設計プログラムに関する。 The present invention relates to a frequency selection plate design method and a frequency selection plate design program.
従来、空間を伝搬する電磁波の透過周波数帯の選択性(選択透過または選択遮蔽)を制御できるデバイスとして周波数選択板(FSS:frequency selective surfaces)が知られている。
周波数選択板の設計方法としては、種々の数値計算手法が提案されているが、例えば下記非特許文献1では、スペクトル領域モーメント法を適用している。
2. Description of the Related Art Conventionally, a frequency selective plate (FSS: frequency selective surfaces) has been known as a device capable of controlling the selectivity (selective transmission or selective shielding) of a transmission frequency band of an electromagnetic wave propagating in space.
Various numerical calculation methods have been proposed as a design method of the frequency selection plate. For example, in the following Non-Patent
スペクトル領域モーメント法では、通常M×Nセルモデルの各セルを導体セルまたは非導体セルに設定する。なお、通常、計算の高速化のために高速フーリエ変換を利用するので、MおよびNは2mや2n(mおよびnは任意の自然数)のように設定される。
この場合、例えば16×16セルモデルでは、偏波対称性を考慮しても1層で236(700億通り)の変数空間となるため Brute−force法(総当り法)はおろか遺伝的アルゴリズムを用いても多大な進化ステップと時間を必要とする。
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、周波数選択板の設計を効率的に行うことにある。
In the spectral domain moment method, each cell of the M × N cell model is usually set as a conductor cell or a non-conductor cell. Note that, since fast Fourier transform is usually used to speed up the calculation, M and N are set as 2 m and 2 n (m and n are arbitrary natural numbers).
In this case, in the example 16 × 16 cell model, Brute-force method for a variable space polarization symmetry 2 36 1-layer even in consideration of (70 billion combinations) (total per method), let alone Genetic Algorithms Requires a lot of evolutionary steps and time.
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to efficiently design a frequency selection plate.
上述の目的を達成するため、請求項1の発明にかかる周波数選択板の設計方法は、周波数選択板をM×Nセルに分割したM×Nセルモデルの各セル領域を導体セルまたは非導体セルにそれぞれ指定し、前記M×Nセルモデルにおける前記導体セルおよび前記非導体セルの配置を特定することにより前記周波数選択板を設計する設計方法であって、Kを任意の自然数とした(M/K)×(N/K)セルモデルにおける前記導体セルおよび前記非導体セルの配置ジオメトリ群を作成する縮小セルモデル作成ステップと、前記配置ジオメトリ群からBrute−force法を用いて所定の周波数特性が良好な優良解を抽出する優良解抽出ステップと、前記優良解の単位セル長さを1/K倍して前記M×Nセルモデルに変換し、前記優良解のM×Nセルモデルに対して最適化処理を行い、前記周波数特性に合致する前記配置ジオメトリを抽出する最適化ステップと、を含んだことを特徴とする。
請求項2の発明にかかる周波数選択板の設計方法は、前記配置ジオメトリ群のうち、当該配置ジオメトリを連続して配置した際に、他の配置ジオメトリと同一のジオメトリが出現する配置ジオメトリを、前記他の配置ジオメトリと縮約し、前記配置ジオメトリ群に含まれる配置ジオメトリ数を低減するジオメトリ縮約ステップを更にそなえることを特徴とする。
請求項3の発明にかかる周波数選択板の設計方法は、前記最適化ステップでは、前記優良解のM×Nセルモデルを遺伝子として遺伝的アルゴリズムを適用して前記周波数特性に合致する前記配置ジオメトリを抽出する、ことを特徴とする。
請求項4の発明にかかる周波数選択板の設計方法は、前記最適化ステップでは、前記周波数特性に基づくペナルティ関数を用いて前記周波数特性に合致しない前記配置ジオメトリの発現確率を低減させる、ことを特徴とする。
請求項5の発明にかかる周波数選択板の設計方法は、前記優良解抽出ステップは、前記配置ジオメトリ群に含まれる各配置ジオメトリについて、前記(M/K)×(N/K)セルモデルの1辺の長さである配列周期を所定の範囲内で変更して、各配列周期における前記周波数特性を算出する、ことを特徴とする。
請求項6の発明にかかる周波数選択板の設計プログラムは、請求項1から請求項5のいずれか1項記載の周波数選択板の設計方法をコンピュータに実行させることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a method for designing a frequency selection plate according to the first aspect of the present invention is a method of designing a frequency selection plate, wherein each cell region of an M × N cell model obtained by dividing the frequency selection plate into M × N cells is a conductive cell or a non-conductive cell And designating the frequency selection plate by specifying the arrangement of the conductor cells and the non-conductor cells in the M × N cell model, wherein K is an arbitrary natural number (M / N (K) × (N / K) a reduced cell model creating step of creating an arrangement geometry group of the conductor cells and the non-conductor cells in the cell model, and a predetermined frequency characteristic is obtained from the arrangement geometry group using a Brute-force method. A good solution extracting step for extracting a good good solution, and converting the unit cell length of the good solution by 1 / K to the M × N cell model, It optimizes processing to Dell, characterized in that it contains, and optimization step of extracting the arrangement geometry that conforms to the frequency characteristic.
The design method of the frequency selection plate according to the invention of
In the designing method of a frequency selection plate according to the invention of
The frequency selection plate designing method according to the invention of
In the method for designing a frequency selection plate according to a fifth aspect of the present invention, in the excellent solution extraction step, for each arrangement geometry included in the arrangement geometry group, one of the (M / K) × (N / K) cell models is used. The frequency characteristic in each arrangement period is calculated by changing the arrangement period, which is the length of a side, within a predetermined range.
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a frequency selection board designing program for causing a computer to execute the frequency selection board designing method according to any one of the first to fifth aspects.
請求項1の発明によれば、設計対象のM×Nセルモデルよりも小さいセルモデルでBrute−force法解析を行い、この優良解に対して最適化処理を行うので、単純な初期解を用いるよりも短時間で有効な設計解を得ることができる可能性が高くなり、周波数選択板の設計時における計算時間を短縮する上で有利となる。
請求項2の発明によれば、連続して配置した際に実質的に同一となる配置ジオメトリを縮約することができ、Brute−force法解析の計算時間を短縮する上で有利となる。
請求項3の発明によれば、遺伝的アルゴリズムを用いて効率的に合目的的な設計解を得ることができる。また、遺伝的アルゴリズムの要素数および世代数を少なくしても有効な設計解を得ることができ、周波数選択板の設計時における計算時間を短縮する上で有利となる。
請求項4の発明によれば、遺伝的アルゴリズム実行時に目的の周波数特性に基づくペナルティ関数を用いて周波数特性に合致しない配置ジオメトリの発現確率を低減させるので、周波数特性に合致した有効な配置ジオメトリを得られる確率を向上させる上で有利となる。
請求項5の発明によれば、セルモデル上の導体セル、非導体セルの配置のみならず配列周期を変更するので、目的の周波数特性により適合する周波数選択板を設計する上で有利となる。
請求項6の発明によれば、コンピュータを用いて上記の周波数選択板の設計方法を実行することができる。
According to the first aspect of the present invention, the analysis is performed by a Brute-force method using a cell model smaller than the M × N cell model to be designed, and an optimization process is performed on the superior solution. Therefore, a simple initial solution is used. The possibility that an effective design solution can be obtained in a shorter time is increased, which is advantageous in shortening the calculation time in designing the frequency selection plate.
According to the second aspect of the present invention, it is possible to reduce arrangement geometries which are substantially the same when they are arranged consecutively, which is advantageous in shortening the calculation time of the Brute-force analysis.
According to the invention of
According to the invention of
According to the fifth aspect of the present invention, not only the arrangement of the conductor cells and the non-conductor cells on the cell model but also the arrangement period is changed, which is advantageous in designing a frequency selection plate that is more suitable for the target frequency characteristics.
According to the invention of
以下に添付図面を参照して、本発明にかかる周波数選択板の設計方法および周波数選択板設計プログラムの好適な実施の形態を詳細に説明する。
本実施の形態で説明する各処理は、図9に示すコンピュータ20が周波数選択板設計プログラムを実行することによって実現する。
図9に示すように、コンピュータ20は、CPU2002、ROM2004、RAM2006、ハードディスク装置(HDD)2008、ディスク装置2010、キーボード2012、マウス2014、ディスプレイ2016、プリンタ2018、入出力インターフェース(I/F)2020などを有している。
ROM2004は制御プログラムなどを格納し、RAM2006はワーキングエリアを提供するものである。
ハードディスク装置2008は、周波数選択板を設計するための専用のプログラム(周波数選択板設計プログラム)を格納している。
ディスク装置2010はCDやDVDなどの記録媒体に対してデータの記録および/または再生を行うものである。
キーボード2012およびマウス2014は、計測者による操作入力を受け付けるものである。
ディスプレイ2016はデータを表示出力するものであり、プリンタ2018はデータを印刷出力するものであり、ディスプレイ2016およびプリンタ2018によってデータを出力する。
入出力インターフェース2020は、他のコンピュータ等との間でデータの授受を行うものである。
なお、以下に示す各処理を1台のコンピュータ20で実行するとは限らず、複数台のコンピュータ20で実行するようにしてもよい。例えばステップS10〜S20は第1のコンピュータ20で、ステップS22〜S26は第2のコンピュータ20で、それぞれ行うようにしてもよい。また、後述するBrute−force法解析や遺伝的アルゴリズム演算のみを処理能力が高い高性能コンピュータで行うようにしてもよい。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Exemplary embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
Each process described in the present embodiment is realized by the
As shown in FIG. 9, the
The
The
The
The
The
The input /
Note that the processes described below are not necessarily executed by one
図1は、実施の形態にかかる周波数選択板の設計方法の手順を示すフローチャートである。
実施の形態にかかる周波数選択板の設計方法は、周波数選択板をM×Nセルに分割したM×Nセルモデルの各セル領域を導体セルまたは非導体セルにそれぞれ指定し、M×Nセルモデルにおける導体セルおよび非導体セルの配置を特定することにより周波数選択板を設計する。
本実施の形態では、周波数選択板内の単位ジオメトリを16×16セルに分割した16×16セルモデル(M,N=16)を用いる場合について説明する。また、積層構成は1層であるものとする。
FIG. 1 is a flowchart illustrating a procedure of a method for designing a frequency selection plate according to the embodiment.
The design method of the frequency selection plate according to the embodiment is such that each cell region of the M × N cell model obtained by dividing the frequency selection plate into M × N cells is designated as a conductor cell or a non-conductor cell, respectively. The frequency selection plate is designed by specifying the arrangement of the conductor cells and the non-conductor cells in.
In the present embodiment, a case will be described in which a 16 × 16 cell model (M, N = 16) obtained by dividing a unit geometry in a frequency selection plate into 16 × 16 cells is used. In addition, the laminated configuration is one layer.
また、設計する周波数選択板は、所定の周波数特性が良好なことが要求される。例えば、透過帯域をαGHz±βGHzとし(αおよびβは任意の正の数)、遮蔽帯域をαGHz±βGHz以外の帯域とすることが要求される場合、この仕様をより具体的にすると、例えば(α−β)GHzから(α+β)GHzにおける透過損失がγdB以下(γは任意の正の数)、(α−δ1)GHz以下および(α+δ2)GHz以上(δ1,δ2はβより大きい正の数)の帯域における透過損失がεdB以上(εはγよりも大きい正の数)という目標性能(目標周波数特性)を設定することができる。 Further, the frequency selection plate to be designed is required to have good predetermined frequency characteristics. For example, when the transmission band is set to α GHz ± β GHz (α and β are arbitrary positive numbers) and the shield band is required to be a band other than α GHz ± β GHz, if this specification is made more specific, for example, ( Transmission loss from α-β) GHz to (α + β) GHz is γ dB or less (γ is an arbitrary positive number), (α-δ 1 ) GHz or less, and (α + δ 2 ) GHz or more (δ 1 , δ 2 is less than β The target performance (target frequency characteristic) can be set such that the transmission loss in the band of a large positive number is equal to or more than ε dB (ε is a positive number larger than γ).
さらに具体的に目標性能について例示すると、例えば要求仕様として透過帯域を9.4±0.05GHz、遮蔽帯域を9.4±0.05GHz外の範囲とする場合、目標性能を、9.35〜9.45GHzにおいて透過損失1dB以下(透過帯域性能)かつ8GHz以下及び11GHz以上で透過損失が10dB以上(遮蔽帯域性能)と設定することができる。 More specifically, for example, when the required performance is a range outside the range of 9.4 ± 0.05 GHz and the shielding band is outside the range of 9.4 ± 0.05 GHz as required specifications, the target performance is set to 9.3535. At 9.45 GHz, the transmission loss can be set to 1 dB or less (transmission band performance) and at 8 GHz or less and 11 GHz or more, the transmission loss can be set to 10 dB or more (shielding band performance).
まず初めに、Kを任意の自然数とした(M/K)×(N/K)セルモデルにおける導体セルおよび非導体セルの配置ジオメトリ群を作成する縮小セルモデル作成ステップを実施する(ステップS10)。
本実施の形態では、K=2として、8×8セルモデル中の64個のセルそれぞれについて、導体セルおよび非導体セルであるかを決定して配置ジオメトリ群を作成する。
ここで、周波数選択板の偏波対象性を考慮すると、8×8セルモデルは上下・左右がそれぞれ対称なジオメトリとするのが好ましい。
よって、図2に示すように、8×8セルモデルにおいては10個のセルをそれぞれ導体セルまたは非導体セルのいずれかに決定すればよい。すなわち、配置ジオメトリ群内の配置ジオメトリは最大210=1024個となる。
First, a reduced cell model creation step for creating an arrangement geometry group of conductor cells and non-conductor cells in an (M / K) × (N / K) cell model where K is an arbitrary natural number is performed (step S10). .
In this embodiment, assuming that K = 2, for each of the 64 cells in the 8 × 8 cell model, it is determined whether the cell is a conductor cell or a non-conductor cell, and a placement geometry group is created.
Here, in consideration of the polarization symmetry of the frequency selection plate, it is preferable that the 8 × 8 cell model has a vertically and horizontally symmetrical geometry.
Therefore, as shown in FIG. 2, in the 8 × 8 cell model, ten cells may be determined to be either conductive cells or non-conductive cells. That is, the maximum number of arrangement geometries in the arrangement geometry group is 2 10 = 1024.
つぎに、8×8セルモデルでの劣等解を消去する(ステップS12)。
劣等解とは、明らかに目標性能を満たさないと予測される配置ジオメトリである。具体的には、例えば8×8セルモデル中の全セルが導体セルまたは非導体セルの場合や、導体セルの割合が極端に小さい場合(例えば64セル中導体セルが1個など)が挙げられる。
Next, the inferior solution in the 8 × 8 cell model is deleted (step S12).
Inferior solutions are placement geometries that are clearly not expected to meet target performance. Specifically, for example, a case where all the cells in the 8 × 8 cell model are conductor cells or non-conductor cells, or a case where the ratio of the conductor cells is extremely small (for example, one conductor cell out of 64 cells). .
つづいて、配置ジオメトリ群のうち、当該配置ジオメトリを連続して配列した際に、他の配置ジオメトリと同一のジオメトリが出現する配置ジオメトリを、当該他の配置ジオメトリと縮約し、配置ジオメトリ群に含まれる配置ジオメトリ数を低減するジオメトリ縮約ステップを実施する(ステップS14)。
具体的には、例えば図3Aに示す8×8セルモデルの配置ジオメトリ30を、図3Bのように正方形状に4つ並べると、四角で囲った領域Pに図3Cに示す他の配置ジオメトリ32が出現する。
よって、これら図3Aの配置ジオメトリ30と図3Cの配置ジオメトリ32とは実質的に同一であり、いずれかに縮約可能となる。
ステップS12およびS14を経ると、ユニークな配置ジオメトリは386個に集約することができる。
Next, of the placement geometry groups, when the placement geometry is sequentially arranged, the placement geometry in which the same geometry as the other placement geometry appears is reduced with the other placement geometry, and is placed in the placement geometry group. A geometry reduction step for reducing the number of included arrangement geometries is performed (step S14).
Specifically, for example, when four
Therefore, the
After steps S12 and S14, unique arrangement geometries can be reduced to 386.
つぎに、配置ジオメトリ群からBrute−force法を用いて所定の周波数特性(目標性能)が良好な優良解を抽出する優良解抽出ステップを実施する。
優良解抽出ステップは、Brute−force法解析を実施するステップ(ステップS16)と、解析結果から優良解を抽出するステップ(ステップS18)とを含んでいる。
ステップS16では、配置ジオメトリ群に含まれる各配置ジオメトリについて、(M/K)×(N/K)セルモデルの1辺の長さである配列周期を所定の範囲内で変更ながら、各配列周期における周波数特性を算出する。すなわち、Brute−force法解析時における演算パラメータには、計算周波数および配置ジオメトリの配列周期が含まれる。
計算周波数は、透過帯域の中心周波数を中心に所定範囲、すなわちαGHz±ζ(ζはε以上の正の数)の範囲を所定周波数刻み(例えば1/ηGHzステップなど)に指定する。具体的には、例えば2.0〜18.0GHz帯を0.2GHzステップで指定する。この場合、計算対象となる周波数は計81波となる。
また、配列周期は、所定寸法範囲を所定寸法刻みで指定する。具体的には、例えば3〜50mmの範囲を1mmステップで指定する。この場合、計算対象となる配列周期は計48寸法となる。
Brute−force法解析は、上記各配置ジオメトリに対して、これらのパラメータを変化させながら全てのパターンについて透過特性を算出する。
この他、周波数選択板を多層構造にする場合には、積層構成を解析パラメータに含める。
また、周波数選択板の材料定数(比誘電率、誘電正接)、厚さ等も適宜入力する。
Next, a good solution extraction step of extracting a good solution having a predetermined frequency characteristic (target performance) from the arrangement geometry group using the Brute-force method is performed.
The excellent solution extraction step includes a step of performing the Brute-force method analysis (step S16) and a step of extracting a good solution from the analysis result (step S18).
In step S16, for each of the arrangement geometries included in the arrangement geometry group, the arrangement period, which is the length of one side of the (M / K) × (N / K) cell model, is changed within a predetermined range, Is calculated. That is, the calculation parameters at the time of the analysis of the Brute-force method include the calculation frequency and the arrangement period of the arrangement geometry.
The calculation frequency specifies a predetermined range centered on the center frequency of the transmission band, that is, a range of αGHz ± ζ (ζ is a positive number equal to or more than ε) in predetermined frequency steps (for example, in 1 / ηGHz steps). Specifically, for example, the band of 2.0 to 18.0 GHz is specified in 0.2 GHz steps. In this case, the frequency to be calculated is a total of 81 waves.
In the arrangement cycle, a predetermined size range is specified in predetermined size steps. Specifically, for example, a range of 3 to 50 mm is specified in 1 mm steps. In this case, the array period to be calculated has a total of 48 dimensions.
In the Brute-force method analysis, the transmission characteristics are calculated for all the patterns while changing these parameters for each arrangement geometry.
In addition, when the frequency selection plate has a multilayer structure, the lamination configuration is included in the analysis parameters.
Also, material constants (relative permittivity, dielectric loss tangent), thickness, etc. of the frequency selection plate are input as appropriate.
ステップS18の優良解抽出では、上記目標性能を目的関数化し、各目的関数の値を成分とするベクトルとして各演算結果を表す。そして、このベクトル群をランキング化し、上位所定個の解を優良解として抽出する。
上記目標性能を例にすると、例えば目的関数をv1:9.4GHzの電力透過率(dB)の絶対値、v2:低周波帯2〜8GHzの平均電力透過率(dB)、v3:高周波帯11〜18GHzの平均電力透過率(dB)とし、各演算結果に対応するベクトル[v1;v2;v3]を生成する。そして、全てのベクトル[v1;v2;v3]から目標性能との一致度が高い(すなわちv1は大きく、v2,v3は小さい)ベクトルを上位所定個抽出する。
In the excellent solution extraction in step S18, the target performance is converted into an objective function, and each operation result is represented as a vector having the value of each objective function as a component. Then, this vector group is ranked, and a predetermined number of upper solutions are extracted as excellent solutions.
Taking the above target performance as an example, for example, the objective function is v1: the absolute value of the power transmittance (dB) of 9.4 GHz, v2: the average power transmittance (dB) of the
本実施の形態では、例えば図4に示す12個の解を優良解として抽出した。
図4には、上から順に配置ジオメトリを識別するジオメトリ番号、配置ジオメトリの具体的な形状、配列周期、12個の優良解の通し番号である凡例名を表記している。
12個の解のうち、通し番号5と6および10と11は、同じ配置ジオメトリの寸法違いとなっている。
図5に、図4に示す優良解の周波数特性を示す。
図5のグラフの縦軸は電力透過率(dB)、横軸は周波数(GHz)である。
なお、図5には比較のため、基準となるクロスダイポール開口型の周波数特性も示している(凡例名「cross」)。
優良解には、必ずしもクロスダイポール形状よりも優れた解とは言えないものも含まれている。
In the present embodiment, for example, the 12 solutions shown in FIG. 4 are extracted as excellent solutions.
FIG. 4 shows a geometry number for identifying the arrangement geometry in order from the top, a specific shape of the arrangement geometry, an arrangement period, and a legend name which is a serial number of 12 excellent solutions.
Of the twelve solutions,
FIG. 5 shows the frequency characteristics of the excellent solution shown in FIG.
The vertical axis of the graph in FIG. 5 is the power transmittance (dB), and the horizontal axis is the frequency (GHz).
For comparison, FIG. 5 also shows a reference cross dipole aperture type frequency characteristic (legend name “cross”).
Excellent solutions include those that are not necessarily better than the cross dipole shape.
つぎに、Brute−force法解析で得られた優良解の単位セル長さを1/K倍してM×Nセルモデルに変換し、優良解のM×Nセルモデルに対して最適化処理を行い、目標の周波数特性に合致するM×Nセルモデルを抽出する最適化ステップを実施する。
本実施の形態では、上記優良解のM×Nセルモデルを遺伝子として遺伝的アルゴリズム(多目的遺伝的アルゴリズム)を適用することにより、周波数特性に合致する配置ジオメトリを抽出するものとする。
なお、最適化ステップは、上記遺伝的アルゴリズムの他、例えば焼きなまし法(simulated anealing)やPSO(particle swarm optimization)等の大域的最適化手法を用いることができる。
最適化ステップは、(M/K)×(N/K)セルモデルをM×Nセルモデルに変換するステップ(ステップS20)、遺伝的アルゴリズム演算を行うステップ(ステップS22)、優良解を抽出するステップ(ステップS24)、最終設計案を決定するステップ(ステップS26)を含んでいる。
Next, the unit cell length of the good solution obtained by the Brute-force method analysis is multiplied by 1 / K to convert it to an M × N cell model, and an optimization process is performed on the good solution M × N cell model. Then, an optimization step of extracting an M × N cell model that matches the target frequency characteristic is performed.
In this embodiment, it is assumed that a genetic algorithm (multi-objective genetic algorithm) is applied to the above-described excellent solution M × N cell model as a gene to extract an arrangement geometry that matches the frequency characteristics.
For the optimization step, in addition to the genetic algorithm, for example, a global optimization method such as an annealing method (simulated annealing) or a PSO (particulate swarm optimization) can be used.
The optimization step includes a step of converting the (M / K) × (N / K) cell model into an M × N cell model (step S20), a step of performing a genetic algorithm operation (step S22), and extracting a good solution. A step (Step S24) and a step of determining a final design plan (Step S26) are included.
ステップS20では、(M/K)×(N/K)セルモデルである優良解の単位セル長さを、1/K倍してM×Nセルモデルに変換する。本実施の形態では、K=2であるため、8×8セルモデルの単位セル長さを1/2倍し、16×16セルモデルに変換した。この優良解の16×16セルモデルが遺伝子の初期値(シード)となる。 In step S20, the unit cell length of the excellent solution, which is the (M / K) × (N / K) cell model, is multiplied by 1 / K to be converted into an M × N cell model. In the present embodiment, since K = 2, the unit cell length of the 8 × 8 cell model was halved and converted to a 16 × 16 cell model. The 16 × 16 cell model of this excellent solution becomes the initial value (seed) of the gene.
ステップS22では、要素数および世代数からなるGA(Genetic Algorithm:遺伝子アルゴリズム)パラメータを指定して遺伝的アルゴリズム演算を行う。本実施の形態では、異なるGAパラメータを指定して複数回の遺伝的アルゴリズム演算を行った。
遺伝的アルゴリズム演算では、初期要素集合の生成を始め、選択、交叉、突然異変などの処理を指定された世代数分行う。
また、遺伝的アルゴリズム演算においては、目標の周波数特性に基づくペナルティ関数を用いて、当該周波数特性に合致しない配置ジオメトリの発現確率を低減させるようにしてもよい。ペナルティ関数とは、目標の周波数特性を満たさない(目的関数値が閾値外にある)遺伝子に対してペナルティを与えるものである。
本実施の形態では、複数回実施した遺伝的アルゴリズム演算のうち、ペナルティ関数を用いる場合と、ペナルティ関数を用いない場合とを併用した。
In step S22, a genetic algorithm operation is performed by specifying a GA (Genetic Algorithm) parameter including the number of elements and the number of generations. In the present embodiment, a plurality of genetic algorithm operations are performed by specifying different GA parameters.
In the genetic algorithm operation, processes such as generation of an initial element set, selection, crossover, and sudden change are performed for a specified number of generations.
In the genetic algorithm operation, a penalty function based on a target frequency characteristic may be used to reduce the occurrence probability of an arrangement geometry that does not match the frequency characteristic. The penalty function gives a penalty to a gene that does not satisfy the target frequency characteristics (the objective function value is outside the threshold).
In the present embodiment, of the genetic algorithm operations performed a plurality of times, the case where the penalty function is used and the case where the penalty function is not used are used together.
ステップS24では、遺伝的アルゴリズム演算における優良解を抽出する。
具体的には、上記複数回行った遺伝的アルゴリズム演算のそれぞれの回において、パレート解を抽出し、それらパレート解から重複解を除き、例えば基準となるクロスダイポール開口型よりも優れた解を優良解として抽出する。
図6に遺伝的アルゴリズム演算における優良解の一例を、図7に図6に示す優良解の周波数特性を示す。図7のグラフの縦軸は電力透過率(dB)、横軸は周波数(GHz)である。また、図6には、上から順に10個の優良解の識別番号(No.)である凡例名、配置ジオメトリを識別するジオメトリ番号、配置ジオメトリの具体的な形状、配列周期を表記している。
No.1の配置ジオメトリは、クロスダイポール開口型そのものであるが、遺伝的アルゴリズム演算の結果、このような解が抽出された。
No.2〜6,10の配置ジオメトリは、クロスダイポールの変形版であり面内で45°回転されていることが特徴的である。
No.7,8はダイポールの末端にロードが付加されたクロスダイポール変種、No.9はエルサレムクロスと形態分けできる。
図7に示す周波数特性から、例えばピークが鋭すぎる解や形状的に単純すぎる解を除くと、図6に示した優良解のうちNo.6とNo.7の配置ジオメトリが設計案の候補となる。
In step S24, a good solution in the genetic algorithm operation is extracted.
Specifically, in each of the genetic algorithm operations performed a plurality of times, a Pareto solution is extracted, and a duplicate solution is removed from the Pareto solution. Extract as a solution.
FIG. 6 shows an example of a good solution in the genetic algorithm operation, and FIG. 7 shows a frequency characteristic of the good solution shown in FIG. The vertical axis of the graph in FIG. 7 is the power transmittance (dB), and the horizontal axis is the frequency (GHz). In FIG. 6, legend names, which are identification numbers (No.) of the ten excellent solutions, a geometry number for identifying the arrangement geometry, a specific shape of the arrangement geometry, and an arrangement cycle are shown in order from the top. .
No. The arrangement geometry of No. 1 is a cross-dipole aperture type itself, but such a solution was extracted as a result of a genetic algorithm operation.
No. The
No. Nos. 7 and 8 are cross dipole variants with a load added to the end of the dipole. 9 can be classified as Jerusalem cloth.
From the frequency characteristics shown in FIG. 7, for example, if a solution having too sharp a peak or a solution having a too simple shape is removed, the best solution shown in FIG. 6 and no. The arrangement geometry 7 is a candidate for the design plan.
その後、ステップS26で最終設計案を決定する。
このステップでは、例えばステップS24で抽出した候補の配置ジオメトリについて、Brute−force法解析時よりも更に細かい寸法刻みで配列周期を変更しながら周波数特性を算出し、最終設計案を決定する。
この時、必要があれば、例えば実際に使用される材料に合わせて材料定数の微調整を行ったり、周波数選択板の設置場所に合わせて傾斜角度を適用して再計算を行ってもよい。
より詳細には、上記材料定数や傾斜角度を反映した上で、No.6およびNo.7の配置ジオメトリについて、優良解として抽出された際の厚さに対して±所定厚さの範囲でBrute−force法解析時よりも更に細かい寸法刻みで周波数特性を算出する。
例えば、No.6の配置ジオメトリであれば、優良解における配列周期1.49cm±2mmの範囲である1.29cm〜1.69cmの範囲において、0.1mm刻みで配列周期を変更し、各配列周期における周波数特性を算出する。また、No.7の配置ジオメトリであれば、優良解における配列周期1.38cm±2mmの範囲である1.18cm〜1.58cmの範囲において、0.1mm刻みで配列周期を変更し、各配列周期における周波数特性を算出する。
この結果、9.4GHzにおける最良の配列周期は、No.6の配置ジオメトリでは1.51cm、No.7の配置ジオメトリでは1.33cmであった。また、No.6およびNo.7の周波数特性を比較すると、No.6の方がシャープなフィルタ特性を示していたが、高周波帯で顕著なピークが見られたため、より目的関数に適合しているのはNo.7であった。
よって、最終設計案はNo.7の配置ジオメトリで配列周期1.33cmと決定した。
Thereafter, a final design plan is determined in step S26.
In this step, for example, regarding the arrangement geometry of the candidates extracted in step S24, the frequency characteristic is calculated while changing the arrangement cycle in smaller steps than the analysis performed by the Brute-force method, and the final design plan is determined.
At this time, if necessary, for example, fine adjustment of the material constant may be performed in accordance with the material actually used, or recalculation may be performed by applying an inclination angle in accordance with the installation location of the frequency selection plate.
More specifically, after reflecting the material constant and the inclination angle, 6 and no. With respect to the arrangement geometry of No. 7, the frequency characteristic is calculated in a range of ± predetermined thickness with respect to the thickness at the time of extraction as a good solution, with a finer step size than in the analysis by the Brute-force method.
For example, no. In the case of the arrangement geometry of 6, the arrangement cycle is changed in 0.1 mm steps in the range of 1.29 cm to 1.69 cm, which is the range of the arrangement cycle of 1.49 cm ± 2 mm in the excellent solution, and the frequency characteristic in each arrangement cycle is changed. Is calculated. In addition, No. With the arrangement geometry of 7, the arrangement cycle is changed in increments of 0.1 mm in the range of 1.18 cm to 1.58 cm, which is the range of the arrangement cycle of 1.38 cm ± 2 mm in the excellent solution, and the frequency characteristic in each arrangement cycle is changed. Is calculated.
As a result, the best arrangement period at 9.4 GHz is No. 6 for the placement geometry of 1.51 cm; 7 was 1.33 cm with a geometry of 7. In addition, No. 6 and no. When the frequency characteristics of No. 7 are compared, No. 6 showed sharper filter characteristics, but a remarkable peak was observed in the high frequency band. It was 7.
Therefore, the final design proposal is No. With an arrangement geometry of 7, the arrangement period was determined to be 1.33 cm.
図8は、本願発明および従来技術における計算所要時間を示す表である。
図8の値は、いずれも通常のコンピュータ20(パーソナルコンピュータ)を用いており、プログラミング言語も同一(Scilab)である。
従来技術では、遺伝的アルゴリズムを用いて16×16セルモデルで有効な設計解を得るためには500要素×20世代程度の計算量が必要となる。この計算量は、通常のパーソナルコンピュータを用いておよそ73時間かかる計算量である。
一方、本願発明では、16×16セルモデルの遺伝的アルゴリズム演算を200要素×20世代行えば、ほぼ同等な設計解が得られる。この計算量は、通常のパーソナルコンピュータを用いた場合およそ2時間の計算量である。
また、本願発明では、16×16セルモデルの遺伝的アルゴリズム演算の前に8×8セルモデルの Brute−force法解析を行う必要があるが、これに必要な時間はおよそ7時間である。なお、 Brute−force法解析は個々のパラメータに対して独立であるため、容易に複数のパーソナルコンピュータに振り分けて計算を行うことができる。そのようにすれば、この工程の計算時間は更に短縮することができる。
よって、本願発明を用いた周波数選択板の設計方法では、従来技術のおよそ1/8である計9時間の計算時間で設計解を算出することができ、周波数選択板の設計に必要な計算時間を大幅に短縮することができる。
FIG. 8 is a table showing the time required for calculation in the present invention and the prior art.
All values in FIG. 8 use a normal computer 20 (personal computer), and the programming language is the same (Scilab).
In the related art, a calculation amount of about 500 elements × 20 generations is required to obtain an effective design solution using a 16 × 16 cell model using a genetic algorithm. This calculation amount is a calculation amount that takes about 73 hours using a normal personal computer.
On the other hand, in the present invention, if the genetic algorithm operation of the 16 × 16 cell model is performed for 200 elements × 20 generations, almost equivalent design solutions can be obtained. This calculation amount is approximately 2 hours when a normal personal computer is used.
Further, in the present invention, it is necessary to perform the Brute-force analysis of the 8 × 8 cell model before performing the genetic algorithm operation of the 16 × 16 cell model, and the time required for this is approximately 7 hours. In addition, since the Brute-force analysis is independent for each parameter, the calculation can be easily performed by distributing to a plurality of personal computers. By doing so, the calculation time of this step can be further reduced.
Therefore, in the method for designing a frequency selection plate using the present invention, a design solution can be calculated in a total of 9 hours, which is about 8 of the conventional technology, and the calculation time required for designing the frequency selection plate is obtained. Can be greatly reduced.
以上説明したように、実施の形態に係る周波数選択板の設計方法は、設計対象のM×Nセルモデルよりも小さいセルモデルでBrute−force法解析を行い、単純な初期解を用いるよりも短時間で有効な設計解を得ることができる可能性が高くなり、周波数選択板の設計時における計算時間を短縮する上で有利となる。
また、実施の形態に係る周波数選択板の設計方法は、連続して配置した際に実質的に同一となる配置ジオメトリを縮約することができ、Brute−force法解析の計算時間を短縮する上で有利となる。
また、実施の形態に係る周波数選択板の設計方法は、遺伝的アルゴリズムを用いて効率的に合目的的な設計解を得ることができる。また、遺伝的アルゴリズムの要素数および世代数を少なくしても有効な設計解を得ることができ、周波数選択板の設計時における計算時間を短縮する上で有利となる。
また、実施の形態に係る周波数選択板の設計方法において、遺伝的アルゴリズム実行時に目的の周波数特性に基づくペナルティ関数を用いて周波数特性に合致しない配置ジオメトリの発現確率を低減させるようにすれば、周波数特性に合致した有効な配置ジオメトリを得られる確率を向上させる上で有利となる。
また、実施の形態に係る周波数選択板の設計方法は、セルモデル上の導体セル、非導体セルの配置のみならず配列周期を変更するので、目的の周波数特性により適合する周波数選択板を設計する上で有利となる。
As described above, the design method of the frequency selection plate according to the embodiment is shorter than performing a Brute-force analysis with a cell model smaller than the M × N cell model to be designed and using a simple initial solution. There is a high possibility that an effective design solution can be obtained in time, which is advantageous in shortening the calculation time in designing the frequency selection plate.
Further, the method of designing a frequency selection plate according to the embodiment can reduce arrangement geometries that are substantially the same when they are arranged consecutively, thereby shortening the calculation time of the Brute-force analysis. Is advantageous.
Further, the method for designing a frequency selection plate according to the embodiment can efficiently obtain a suitable design solution using a genetic algorithm. Further, an effective design solution can be obtained even if the number of elements and the number of generations of the genetic algorithm are reduced, which is advantageous in shortening the calculation time when designing the frequency selection plate.
Further, in the method for designing a frequency selection plate according to the embodiment, when the genetic algorithm is executed, a penalty function based on a target frequency characteristic is used to reduce the probability of occurrence of an arrangement geometry that does not match the frequency characteristic. This is advantageous in increasing the probability of obtaining an effective placement geometry that matches the characteristics.
Further, the method of designing a frequency selection plate according to the embodiment changes the arrangement period as well as the arrangement of the conductor cells and the non-conductor cells on the cell model, so that a frequency selection plate that is more suitable for the target frequency characteristics is designed. The above is advantageous.
20……コンピュータ、30,32……配置ジオメトリ 20: Computer, 30, 32: Arrangement geometry
Claims (6)
Kを任意の自然数とした(M/K)×(N/K)セルモデルにおける前記導体セルおよび前記非導体セルの配置ジオメトリ群を作成する縮小セルモデル作成ステップと、
前記配置ジオメトリ群からBrute−force法を用いて所定の周波数特性が良好な優良解を抽出する優良解抽出ステップと、
前記優良解の単位セル長さを1/K倍して前記M×Nセルモデルに変換し、前記優良解のM×Nセルモデルに対して最適化処理を行い、前記周波数特性に合致する前記配置ジオメトリを抽出する最適化ステップと、
を含んだことを特徴とする周波数選択板の設計方法。 Each cell region of the M × N cell model in which the frequency selection plate is divided into M × N cells is designated as a conductor cell or a non-conductor cell, and the arrangement of the conductor cells and the non-conductor cells in the M × N cell model is specified. A design method of designing the frequency selection plate by specifying,
A reduced cell model creation step of creating an arrangement geometry group of the conductor cells and the non-conductor cells in an (M / K) × (N / K) cell model where K is an arbitrary natural number;
A good solution extraction step of extracting a good solution having a predetermined frequency characteristic from the arrangement geometry group using a Brute-force method;
The unit cell length of the excellent solution is converted to the M × N cell model by multiplying by 1 / K, the optimization process is performed on the M × N cell model of the excellent solution, and the frequency characteristic is matched. An optimization step to extract the placement geometry;
A method for designing a frequency selection plate, comprising:
ことを特徴とする請求項1または2記載の周波数選択板の設計方法。 In the optimizing step, a genetic algorithm is applied using the M × N cell model of the good solution as a gene to extract the placement geometry that matches the frequency characteristics.
3. The method for designing a frequency selection plate according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載の周波数選択板の設計方法。 In the optimizing step, using a penalty function based on the frequency characteristics to reduce the occurrence probability of the arrangement geometry that does not match the frequency characteristics,
4. The method for designing a frequency selection plate according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項記載の周波数選択板の設計方法。 The superior solution extraction step includes changing an arrangement cycle, which is the length of one side of the (M / K) × (N / K) cell model, within a predetermined range for each arrangement geometry included in the arrangement geometry group. And calculating the frequency characteristics in each arrangement cycle,
The method for designing a frequency selection plate according to any one of claims 1 to 4, wherein:
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