JP7401766B2 - アンテナ設計プログラム、アンテナ設計方法及び情報処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ設計プログラム、アンテナ設計方法及び情報処理装置に関する。

無線機器に搭載される平面アンテナの一種として、パッチアンテナ（マイクロストリップアンテナとも呼ばれる）が知られている。パッチアンテナは、誘電体基板と、誘電体基板の表面に形成されたパッチと呼ばれる導体パターンと、誘電体基板の裏面に形成された地導体板を有する。また、パッチの所定の位置には給電点が設けられ、たとえば、同軸線路の中心導体が、パッチアンテナの裏面から地導体板と誘電体基板を貫いて、給電点においてパッチに接触される。

なお、従来、金属に近接したときのアンテナの反射特性の劣化を抑制可能なアンテナを設計する方法があった（たとえば、特許文献１参照）。また、パッチアンテナの設計手法として、深層学習をはじめとする数値最適化手法を用いるものがあった（たとえば、非特許文献１参照）。

特開２０１６－０３６１３５号公報

R. K. Mishra and A. Patnaik, "Neural Network-Based CAD Model for the Design of Square-Patch Antennas", IEEE transactions on antennas and propagation, December 1998, vol. 46, no. 12, p.1890-1891

しかし、パッチアンテナの設計では、入力インピーダンスを整合させるためにパッチのサイズや給電位置を決定することが難しく、設計に時間がかかるという問題がある。数値最適化手法を用いた設計においても、学習用の大量のサンプルを用意する手間が発生するため同様に設計に時間がかかる。

１つの側面では、本発明は、パッチアンテナの設計時間を短縮可能なアンテナ設計プログラム、アンテナ設計方法及び情報処理装置を提供することを目的とする。

１つの実施態様では、パッチアンテナの設計情報を用いた電磁界シミュレーションの第１の結果に基づいて、前記パッチアンテナの反射係数が最小となる第１の周波数を検出し、指定された動作周波数と検出した前記第１の周波数との比較結果に基づいて、前記動作周波数における前記反射係数を減少させる前記パッチアンテナのパッチの辺長を計算し、前記第１の結果から得られる、スミスチャート上の前記パッチアンテナの入力インピーダンスの軌跡に基づいて、前記動作周波数における前記入力インピーダンスを、前記スミスチャートの中心点に近づける前記パッチアンテナの給電位置を計算する、処理をコンピュータに実行させるアンテナ設計プログラムが提供される。

また、１つの実施態様では、アンテナ設計方法が提供される。
また、１つの実施態様では、情報処理装置が提供される。

１つの側面では、本発明は、パッチアンテナの設計時間を短縮できる。

第１の実施の形態のアンテナ設計方法及び情報処理装置の一例を示す図である。 パッチの辺長と給電位置の調整例を示す図である。 入力インピーダンスの虚数部と、周波数との関係の一例を示す図である。 情報処理装置のハードウェア例を示すブロック図である。 情報処理装置の機能例を示すブロック図である。 アンテナ設計方法の手順の一例を示すフローチャートである。 スミスチャートにおける入力インピーダンスの軌跡の例を示す図である。 スミスチャートにおける入力インピーダンスの軌跡の推定例を示す図である。 パッチサイズ及び給電位置の調整例を示す図である。

以下、発明を実施するための形態を、図面を参照しつつ説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態のアンテナ設計方法及び情報処理装置の一例を示す図である。

情報処理装置１０は、たとえば、図１に示すようなパッチアンテナ１５を設計する。図１にはパッチアンテナ１５の上面と、Ａ－Ａ線における断面が示されている。パッチアンテナ１５は、誘電体基板１５ａと、誘電体基板１５ａの表面に形成されたパッチ（導体パターン）１５ｂと、誘電体基板１５ａの裏面に形成された地導体板１５ｃを有する。また、パッチ１５ｂの所定の位置には給電点１５ｄが設けられ、たとえば、同軸線路の中心導体１５ｄａが、パッチアンテナ１５の裏面から地導体板１５ｃと誘電体基板１５ａを貫いて、給電点１５ｄにおいてパッチ１５ｂに接触される。また、同軸線路の外導体１５ｄｂが地導体板１５ｃと接触される。

情報処理装置１０は、記憶部１１及び処理部１２を有する。
記憶部１１は、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの揮発性の記憶装置、または、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やフラッシュメモリなどの不揮発性の記憶装置である。

記憶部１１は、設計情報１１ａ、電磁界シミュレーション結果１１ｂを記憶する。
設計情報１１ａは、たとえば、パッチアンテナ１５のパッチ１５ｂの辺長（図１のｌ_ｘやｌ_ｙ）、給電位置（給電点１５ｄの位置でありパッチ１５ｂの中心からの距離（ｆ_ｙ）で表される）などを含む。設計情報１１ａの初期値は、たとえば、後述の計算式により計算される。

電磁界シミュレーション結果１１ｂは、設計情報１１ａを用いて実行された電磁界シミュレーションの結果である。電磁界シミュレーションとして、たとえば、ＦＤＴＤ（Finite-Difference Time-Domain method）法、モーメント法、または有限要素法などを利用したシミュレーションが適用できる。電磁界シミュレーション結果１１ｂには、各周波数における、｜Ｓ_１１｜及び入力インピーダンスを含む。Ｓ_１１は、反射係数と呼ばれる値であり、｜Ｓ_１１｜が小さいほど良好な整合であることを示す。

なお、情報処理装置１０が電磁界シミュレーションを実行してもよいし、他の情報処理装置が電磁界シミュレーションを実行し、情報処理装置１０がその結果を取得し、記憶部１１に記憶してもよい。

処理部１２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などのハードウェアであるプロセッサにより実現される。ただし、処理部１２は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などの電子回路を含んでもよい。プロセッサは、ＲＡＭなどのメモリに記憶されたプログラムを実行する。たとえば、アンテナ設計プログラムが実行される。なお、複数のプロセッサの集合を「マルチプロセッサ」または単に「プロセッサ」ということがある。

処理部１２は、以下のような処理（アンテナ設計方法）を行う。
処理部１２は、電磁界シミュレーション結果１１ｂに基づいて、パッチアンテナ１５の反射係数が最小となる周波数（共振周波数ということもできる）ｆ_ｓを検出する（ステップＳ１）。

そして、処理部１２は、指定された動作周波数ｆ_ｏと検出した周波数ｆ_ｓとの比較結果に基づいて、動作周波数ｆ_ｏにおける反射係数を減少させるパッチアンテナ１５のパッチ１５ｂの辺長を計算する（ステップＳ２）。

計算されるパッチ１５ｂの辺長は、給電点１５ｄが、パッチ１５ｂの中心に対してｙ方向にずれている場合は、ｙ方向の辺の長さであるｌ_ｙである。なお、パッチ１５ｂの形状は矩形や正方形に限定されず、円形であってもよい。その場合、計算されるパッチの辺長は円の半径である。

ｌ_ｙを短くすると、反射係数が最小になる周波数ｆ_ｓは高くなっていく。そのため、ｆ_ｓ＞ｆ_ｏである場合、動作周波数ｆ_ｏにおける反射係数を減少させるためには、ｌ_ｙを現在の設計情報１１ａで表されている長さよりも長くすればよい。一方、ｆ_ｓ＜ｆ_ｏである場合、動作周波数ｆ_ｏにおける反射係数を減少させるためには、ｌ_ｙを現在の設計情報１１ａで表されている長さよりも短くすればよい。たとえば、処理部１２は、現在の設計情報１１ａで表されているｌ_ｙをｆ_ｓ／ｆ_ｏ倍して、新たなパッチ１５ｂの辺長を計算することができる。

また、処理部１２は、スミスチャート上のパッチアンテナ１５の入力インピーダンスの軌跡に基づいて、動作周波数ｆ_ｏにおける入力インピーダンスを、スミスチャートの中心点に近づける給電位置を計算する（ステップＳ３）。

上記の軌跡は、電磁界シミュレーション結果１１ｂから得られる。給電位置が、パッチ１５ｂの中心から離れるほど、入力インピーダンスの軌跡である円の大きさが大きくなっていく。そこで、処理部１２は、入力インピーダンスの軌跡である円が、スミスチャートの中心点を含む場合、設計情報１１ａが示す給電位置をパッチ１５ｂの中心に近づけ、円が中心点を含まない場合、給電位置をパッチ１５ｂの中心から遠ざける。動作周波数ｆ_ｏにおける入力インピーダンスを、スミスチャートの中心点に近づけることで良好なインピーダンス整合が得られるため、このような処理が行われる。

なお、処理部１２は、ステップＳ２，Ｓ３の処理で計算したパッチ１５ｂの辺長と給電位置を図示しない表示装置に対して出力して表示させてもよい。
さらに、処理部１２は、計算したパッチ１５ｂの辺長及び給電位置を用いて、記憶部１１に記憶されている設計情報１１ａを更新する（ステップＳ４）。

なお、上記処理の順序は一例であり、適宜処理の順序を入れ替えてもよい。たとえば、ステップＳ３の処理をステップＳ１の処理の前に行ってもよい。
また、上記のステップＳ１～Ｓ４の処理を繰り返して、より特性のよいパッチアンテナ１５を設計するようにしてもよい。

図２は、パッチの辺長と給電位置の調整例を示す図である。
図２には、電磁界シミュレーションによって得られるパッチの辺長と、Ｓ_１１［ｄＢ］の周波数特性との関係の一例が示されている。誘電体基板１５ａのサイズは、７０×７０×３．２ｍｍ^３であり、図示しない給電点は、パッチ１５ｂの中心である。また、誘電体基板１５ａの比誘電率は２．１７、誘電正接は０．００１、パッチ１５ｂや図１に示した地導体板１５ｃは厚さ０の完全導体である。

特性２０はｌ_ｙ（＝ｌ_ｘ）＝６０ｍｍの場合のＳ_１１の周波数特性を示し、特性２１はｌ_ｙ（＝ｌ_ｘ）＝５０ｍｍの場合のＳ_１１の周波数特性を示し、特性２２はｌ_ｙ（＝ｌ_ｘ）＝４０ｍｍの場合のＳ_１１の周波数特性を示す。

パッチ１５ｂの辺長が短くなるほど、Ｓ_１１［ｄＢ］が最小となる周波数が高くなる。たとえば、現在の設計情報１１ａにおけるパッチ１５ｂのｌ_ｙが６０ｍｍである場合、検出される周波数ｆ_ｓは約１．６ＧＨｚである。指定される動作周波数ｆ_ｏが、１．９ＧＨｚの場合、ｌ_ｙ＝５０ｍｍ程度に縮小することで、動作周波数ｆ_ｏにおける反射係数を減少させることができる。一方、現在の設計情報１１ａにおけるパッチ１５ｂのｌ_ｙが４０ｍｍである場合、検出される周波数ｆ_ｓは約２．４ＧＨｚである。指定される動作周波数ｆ_ｏが、１．９ＧＨｚの場合、ｌ_ｙ＝５０ｍｍ程度に拡大することで、動作周波数ｆ_ｏにおける反射係数を減少させることができる。

図２には、さらに、電磁界シミュレーションによって得られる給電位置とスミスチャート２５での入力インピーダンスの軌跡との関係が示されている。誘電体基板１５ａのサイズは、７０×７０×３．２ｍｍ^３、パッチ１５ｂのサイズは、４７×４７ｍｍ^２である。また、誘電体基板１５ａの誘電率は２．１７、誘電正接は０．００１、パッチ１５ｂや図１に示した地導体板１５ｃは厚さ０の完全導体である。

軌跡２６は、給電点１５ｄのパッチ１５ｂの中心からの距離（ｆ_ｙ）が５．０ｍｍの場合の入力インピーダンスの軌跡であり、軌跡２７は、ｆ_ｙ＝８．３ｍｍの場合の入力インピーダンスの軌跡である。また、軌跡２８は、ｆ_ｙ＝１５ｍｍの場合の入力インピーダンスの軌跡である。軌跡２７は、スミスチャート２５の中心点（基準インピーダンス（以下５０Ωとする））を通り、動作周波数ｆ_ｏにおいて良好なインピーダンス整合が得られる可能性がある軌跡である。

図２に示されているように、給電点１５ｄがパッチ１５ｂの中心から離れるほど、入力インピーダンスの軌跡である円の大きさが大きくなる。たとえば、現在の設計情報１１ａにおいて、ｆ_ｙ＝５．０ｍｍの場合、入力インピーダンスの軌跡２６は、スミスチャート２５の中心点を含まない。このため、給電点１５ｄをパッチ１５ｂの中心から離すことで、軌跡２６を軌跡２７に近づけることができる。一方、現在の設計情報１１ａにおいて、ｆ_ｙ＝１５ｍｍの場合、入力インピーダンスの軌跡２８は、スミスチャート２５の中心点を含む。このため、給電点１５ｄをパッチ１５ｂの中心に近づけることで、軌跡２８を軌跡２７に近づけることができる。

ところで、入力インピーダンスの整合は、入力インピーダンスの虚数部を０Ω、実数部を５０Ωとなるように調整することである。
図３は、入力インピーダンスの虚数部と、周波数との関係の一例を示す図である。縦軸は入力インピーダンスの虚数部［Ω］を表し、横軸は周波数［Ｈｚ］を表す。

入力インピーダンスの虚数部は、図３に示すように複雑な挙動を示すため、このような特性に基づいて、コンピュータに、ある周波数でインピーダンス整合するようなパッチアンテナを設計させる場合、以下のような処理をしてしまう可能性がある。

たとえば、１．７５ＧＨｚにおいて入力インピーダンスの虚数部を０Ωにしたい場合、１．７５ＧＨｚから周波数を下げていくと、虚数部の値は小さくなる。このため、図３に示される全体の特性を右側にシフトさせるように、パッチアンテナの設計を行う可能性がある。しかし、図３に示すように、虚数部の値が０Ωになっているのは、２．００ＧＨｚ付近であり、シフトさせるべき方向が逆である。このため、図３のような周波数特性に基づいてインピーダンス整合が得られるパッチアンテナを設計する場合、時間がかかる可能性がある。

また、前述のように、数値最適化手法を用いた設計においても、学習用の大量のサンプルを用意する手間が発生するため同様に設計に時間かかる。
これらの設計手法に対して、第１の実施の形態のアンテナ設計方法では、上記のように反射係数が最小の周波数ｆ_ｓと動作周波数ｆ_ｏとの比較結果に基づきパッチ辺長が計算され、スミスチャートの入力インピーダンスの軌跡に基づき給電位置が計算される。これにより、インピーダンス整合が容易になり、設計時間を短縮できる。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態を説明する。
図４は、情報処理装置のハードウェア例を示すブロック図である。

情報処理装置３０は、ＣＰＵ３１、ＲＡＭ３２、ＨＤＤ３３、画像信号処理部３４、入力信号処理部３５、媒体リーダ３６及び通信インタフェース３７を有する。上記ユニットは、バスに接続されている。

ＣＰＵ３１は、プログラムの命令を実行する演算回路を含むプロセッサである。ＣＰＵ３１は、ＨＤＤ３３に記憶されたプログラムやデータの少なくとも一部をＲＡＭ３２にロードし、プログラムを実行する。なお、ＣＰＵ３１は複数のプロセッサコアを備えてもよく、情報処理装置３０は複数のプロセッサを備えてもよく、以下で説明する処理を複数のプロセッサまたはプロセッサコアを用いて並列に実行してもよい。また、複数のプロセッサの集合（マルチプロセッサ）を「プロセッサ」と呼んでもよい。

ＲＡＭ３２は、ＣＰＵ３１が実行するプログラムやＣＰＵ３１が演算に用いるデータを一時的に記憶する揮発性の半導体メモリである。なお、情報処理装置３０は、ＲＡＭ以外の種類のメモリを備えてもよく、複数個のメモリを備えてもよい。

ＨＤＤ３３は、ＯＳ（Operating System）やミドルウェアやアプリケーションソフトウェアなどのソフトウェアのプログラム、及び、データを記憶する不揮発性の記憶装置である。プログラムには、たとえば、パッチアンテナの設計処理を情報処理装置３０に実行させるアンテナ設計プログラムが含まれる。なお、情報処理装置３０は、フラッシュメモリやＳＳＤ（Solid State Drive）などの他の種類の記憶装置を備えてもよく、複数の不揮発性の記憶装置を備えてもよい。

画像信号処理部３４は、ＣＰＵ３１からの命令にしたがって、情報処理装置３０に接続されたディスプレイ３４ａに画像を出力する。ディスプレイ３４ａとしては、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）ディスプレイ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ：Plasma Display Panel）、有機ＥＬ（ＯＥＬ：Organic Electro-Luminescence）ディスプレイなどを用いることができる。

入力信号処理部３５は、情報処理装置３０に接続された入力デバイス３５ａから入力信号を取得し、ＣＰＵ３１に出力する。入力デバイス３５ａとしては、マウスやタッチパネルやタッチパッドやトラックボールなどのポインティングデバイス、キーボード、リモートコントローラ、ボタンスイッチなどを用いることができる。また、情報処理装置３０に、複数の種類の入力デバイスが接続されていてもよい。

媒体リーダ３６は、記録媒体３６ａに記録されたプログラムやデータを読み取る読み取り装置である。記録媒体３６ａとして、たとえば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク（ＭＯ：Magneto-Optical disk）、半導体メモリなどを使用できる。磁気ディスクには、フレキシブルディスク（ＦＤ：Flexible Disk）やＨＤＤが含まれる。光ディスクには、ＣＤ（Compact Disc）やＤＶＤ（Digital Versatile Disc）が含まれる。

媒体リーダ３６は、たとえば、記録媒体３６ａから読み取ったプログラムやデータを、ＲＡＭ３２やＨＤＤ３３などの他の記録媒体にコピーする。読み取られたプログラムは、たとえば、ＣＰＵ３１によって実行される。なお、記録媒体３６ａは、可搬型記録媒体であってもよく、プログラムやデータの配布に用いられることがある。また、記録媒体３６ａやＨＤＤ３３を、コンピュータ読み取り可能な記録媒体ということがある。

通信インタフェース３７は、ネットワーク３７ａに接続され、ネットワーク３７ａを介して他の情報処理装置と通信を行うインタフェースである。通信インタフェース３７は、スイッチなどの通信装置とケーブルで接続される有線通信インタフェースでもよいし、基地局と無線リンクで接続される無線通信インタフェースでもよい。

図１に示した情報処理装置１０も上記と同様のハードウェア構成により実現できる。
次に、情報処理装置３０の機能及び処理手順を説明する。
図５は、情報処理装置の機能例を示すブロック図である。

情報処理装置３０は、設計条件指定受付部４１、初期設計情報設定部４２、設計情報記憶部４３、電磁界シミュレーション実行部４４、シミュレーション結果記憶部４５、調査部４６、パッチサイズ計算部４７、給電位置計算部４８、更新部４９を有する。

設計情報記憶部４３、シミュレーション結果記憶部４５は、たとえば、ＲＡＭ３２またはＨＤＤ３３に確保した記憶領域を用いて実装できる。設計条件指定受付部４１、初期設計情報設定部４２、電磁界シミュレーション実行部４４、調査部４６、パッチサイズ計算部４７、給電位置計算部４８、更新部４９は、たとえば、ＣＰＵ３１が実行するプログラムモジュールを用いて実装できる。

設計条件指定受付部４１は、たとえば、ユーザによる入力デバイス３５ａの操作によってなされる設計条件の指定を受け付ける。指定される設計条件としては、たとえば、パッチアンテナの動作周波数ｆ_ｏや基板特性などがある。

初期設計情報設定部４２は、指定された設計条件に基づいて、パッチアンテナの初期設計情報を設定する。初期設計情報には、パッチサイズや給電位置の初期値が含まれる。
図１に示したようなパッチアンテナ１５において、パッチサイズの初期値（ｌ_ｘ，ｌ_ｙの初期値）は、パッチ１５ｂが正方形の場合、たとえば、以下のように算出できる。

まず、ｌ_ｘの初期値が以下の式（１）により計算される。

式（１）において、μ_０は真空の透磁率、ε_０は真空の誘電率、ε_ｒは誘電体基板１５ａの比誘電率である。次に、計算されたｌ_ｘの初期値を用いて、実効比誘電率ε_ｅｆｆが以下の式（２）により計算される。

式（２）において、ｈは誘電体基板１５ａの高さ（厚さ）である。そして、計算されたｌ_ｘの初期値とε_ｅｆｆを用いて、ｌ_ｙの初期値が以下の式（３）により計算される。

式（１）と式（３）で計算されるｌ_ｘとｌ_ｙの差が所定の閾値よりも大きい場合、たとえば、差が所定の閾値以内となるまで、式（２）と式（３）のｌ_ｘとしてｌ_ｙを用いて、式（２）と式（３）の計算を繰り返す。

以上のような再帰計算により、パッチサイズの初期値が得られる。ただ、上記のような計算方法でパッチサイズの初期値を得ることに限定されず、ユーザから初期値が入力されるようにしてもよいし、これまでの設計実績に基づいた初期値が設定されるようにしてもよい。

給電位置の初期値は、特に限定されるわけではないが、たとえば、パッチの中心からの距離が、ｌ_ｙの初期値の１／４となるように設定される。
設計情報記憶部４３は、初期設計情報設定部４２によって設定された設計情報または、更新部４９によって更新された設計情報を記憶する。

電磁界シミュレーション実行部４４は、設計条件や設計情報に基づいて、ＦＤＴＤ法、モーメント法、または有限要素法などを利用した電磁界シミュレーションを実行する。なお、電磁界シミュレーション実行部４４の処理は、情報処理装置３０とは別の装置で行われてもよい。

シミュレーション結果記憶部４５は、電磁界シミュレーション結果を記憶する。電磁界シミュレーション結果には、各周波数における反射係数、及び入力インピーダンスを含む。

調査部４６は、電磁界シミュレーション結果に基づいて、パッチアンテナの反射係数が最小となる周波数ｆ_ｓの検出を行う。また、調査部４６は、検出した周波数ｆ_ｓと動作周波数ｆ_ｏの大小関係の検出や、反射係数（｜Ｓ_１１｜）が規定値よりも小さいかの判定を行う。さらに、調査部４６は、スミスチャート上のパッチアンテナ１５の入力インピーダンスの軌跡（円）を推定し、円がスミスチャートの中心点を含むか否か（円が大きすぎるか否か）の判定を行う。

パッチサイズ計算部４７は、指定された動作周波数ｆ_ｏと検出した周波数ｆ_ｓとの比較結果に基づいて、動作周波数ｆ_ｏにおける反射係数を減少させるパッチサイズ（パッチの辺長）を計算する。

給電位置計算部４８は、推定された入力インピーダンスの軌跡に基づいて、動作周波数ｆ_ｏにおける入力インピーダンスを、スミスチャートの中心点に近づける給電位置を計算する。

更新部４９は、計算したパッチサイズ及び給電位置を用いて、設計情報を更新する。
なお、情報処理装置３０は、たとえば、計算したパッチサイズや給電位置、または更新された設計情報をディスプレイ３４ａに表示させる表示部を有していてもよい。

図６は、アンテナ設計方法の手順の一例を示すフローチャートである。
設計条件指定受付部４１が、設計条件の指定を受け付けると（ステップＳ１０）、初期設計情報設定部４２は、指定された設計条件に基づいて、パッチアンテナの初期設計情報を設定する（ステップＳ１１）。これにより、パッチアンテナの初期設計情報が設計情報記憶部４３に記憶される。

そして、電磁界シミュレーション実行部４４が、設計条件や設計情報に基づいて、電磁界シミュレーションを実行する（ステップＳ１２）。電磁界シミュレーション結果は、シミュレーション結果記憶部４５に記憶される。

調査部４６は、電磁界シミュレーション結果に基づいて、｜Ｓ_１１｜が最小となる周波数ｆ_ｓを調査（検出）する（ステップＳ１３）。そして、調査部４６は、ｆ_ｓ≒ｆ_ｏであり（周波数ｆ_ｓと動作周波数ｆ_ｏの差が所定の閾値よりも小さい）、かつ周波数ｆ_ｓにおける｜Ｓ_１１｜が規定値より小さいか否かを判定する（ステップＳ１４）。規定値は、たとえば、－１０ｄＢ、－１５ｄＢなど、目標とする性能に応じて適宜設定される。

ｆ_ｓ≒ｆ_ｏであり、かつ周波数ｆ_ｓにおける｜Ｓ_１１｜が規定値より小さいと判定された場合、現在の設計情報が更新されずに、パッチアンテナの設計が終了される。
ｆ_ｓ≒ｆ_ｏであり、かつ周波数ｆ_ｓにおける｜Ｓ_１１｜が規定値より小さいという条件を満たさないと判定した場合、調査部４６は、ｆ_ｓ≒ｆ_ｏであるか否かを判定する（ステップＳ１５）。

調査部４６は、ｆ_ｓ≒ｆ_ｏではないと判定した場合、ｆ_ｓ＞ｆ_ｏであるか否かを判定する（ステップＳ１６）。
ｆ_ｓ＞ｆ_ｏであると判定された場合、パッチサイズ計算部４７は、パッチを現在の設計情報で表されているものよりも拡大する（ｌ_ｘ，ｌ_ｙを長くする）（ステップＳ１７）。

ｆ_ｓ＞ｆ_ｏではないと判定された場合、パッチサイズ計算部４７は、パッチを現在の設計情報で表されているものよりも縮小する（ｌ_ｘ，ｌ_ｙを短くする）（ステップＳ１８）。

さらに、ステップＳ１７，Ｓ１８の処理では、得られた新たなパッチサイズを用いて、更新部４９によって現在の設計情報が更新される。なお、ステップＳ１７，Ｓ１８の処理では、パッチサイズ計算部４７は、たとえば、現在の設計情報で表されているｌ_ｘ，ｌ_ｙをｆ_ｓ／ｆ_ｏ倍して、新たなパッチ１５ｂの辺長を計算してもよい。

ステップＳ１５の処理において、ｆ_ｓ≒ｆ_ｏであると判定した場合、調査部４６は、スミスチャート上の入力インピーダンスの軌跡（円）を推定する（ステップＳ１９）。
そして、調査部４６は、その円が大きすぎ（スミスチャートの中心点を含む）か否かを判定する（ステップＳ２０）。

図７は、スミスチャートにおける入力インピーダンスの軌跡の例を示す図である。
図７では、スミスチャート５０上に、動作周波数ｆ_ｏにおける入力インピーダンスの点Ｐ０がプロットされている。しかし、点Ｐ０をプロットしただけでは、入力インピーダンスの軌跡が、軌跡５１ａ，５１ｂのいずれであるのかがわからない。

軌跡５１ａは、スミスチャート５０の中心点を含むので、入力インピーダンスがこのような軌跡５１ａを示す場合には、前述のように円を小さくするように給電位置をパッチの中心に近づける調整を行うことになる。これに対し、軌跡５１ｂは、スミスチャート５０の中心点を含まないので、入力インピーダンスがこのような軌跡５１ｂを示す場合には、前述のように円を大きくするように給電位置をパッチの中心から遠ざける調整を行うことになる。このように、入力インピーダンスの軌跡が軌跡５１ａ，５１ｂの何れかであるかによって、調整方法が変わる。

そこで、調査部４６は、たとえば、以下のように軌跡（円）を推定し、円が大きすぎるか否かを判定する。
図８は、スミスチャートにおける入力インピーダンスの軌跡の推定例を示す図である。

調査部４６は、点Ｐ０を原点とし、スミスチャート５０の中心点を通るｙ軸（中心点のｙ座標の値は正）と、点Ｐ０を通りｙ軸に垂直なｘ軸によるｘ－ｙ座標系を設定する。そして、調査部４６は、座標変換によりスミスチャート５０上の各点を、ｘ－ｙ座標で表したときに、動作周波数ｆ_ｏとは異なる周波数における入力インピーダンスの点のｙ座標の値が正か負かによって、軌跡がスミスチャート５０の中心点を含むか否か判定する。

たとえば、調査部４６は、動作周波数ｆ_ｏよりも低い周波数（たとえば、動作周波数ｆ_ｏにおける｜Ｓ_１１｜よりも１ｄＢ高い｜Ｓ_１１｜を示す周波数）における入力インピーダンスの点Ｐ１のｙ座標の値が正か負かを判定する。点Ｐ１のｙ座標の値が正である場合、調査部４６は、入力インピーダンスの軌跡が中心点を含む軌跡５１ａであると推定し、円が大きすぎると判定する。点Ｐ１のｙ座標の値が負である場合、調査部４６は、入力インピーダンスの軌跡が中心点を含まない軌跡５１ｂであると推定し、円が小さすぎると判定する。

図６の説明に戻る。
ステップＳ２０の処理において、円が大きすぎると判定された場合、給電位置計算部４８は、給電位置を内側に移動させる（パッチの中心に近づける）（ステップＳ２１）。

円が大きすぎると判定されない場合（円が小さすぎる場合）、給電位置計算部４８は、給電位置を外側に移動させる（パッチの中心から遠ざける）（ステップＳ２２）。
さらに、ステップＳ２１，Ｓ２２の処理では、得られた新たな給電位置を用いて、更新部４９によって現在の設計情報が更新される。

ステップＳ２１またはステップＳ２２の処理で得られる給電位置は、たとえば、以下のように決定される。
パッチの中心からの給電点の距離で表される給電位置の初期値に対して、ステップＳ２１またはステップＳ２２の処理が行われる場合、給電位置計算部４８は、初期値を１０％変化させる。つまり、給電位置計算部４８は、ステップＳ２１の処理を行う場合、初期値×０．９を新たな給電位置として算出し、ステップＳ２２の処理を行う場合、初期値×１．１を新たな給電位置として算出する。２回目以降の給電位置の調整では、たとえば、給電位置計算部４８は、前回の給電位置の変更によって、入力インピーダンスの軌跡である円の大きさがどの程度変化したかに応じて、現在の給電位置に乗じる値を変更する。たとえば、円の大きさの変化が大きすぎる場合は、給電位置を変化させる度合いを小さくする。

ステップＳ２１，２２の処理後、電磁界シミュレーション実行部４４は、電磁界シミュレーションの回数（図６では「Ｓｉｍ回数」と表記されている）が、規定回数より少ないか否かを判定する（ステップＳ２３）。

規定回数は、たとえば、１０回、２０回など、適宜設定される。電磁界シミュレーション回数が規定回数より少ないと判定された場合、ステップＳ１２からの処理が繰り返され、電磁界シミュレーション回数が規定回数に達した場合には、パッチアンテナの設計が終了される。

なお、上記の処理順序は特に限定されるものではなく、適宜処理順序を入れ替えてもよい。
図９は、パッチサイズ及び給電位置の調整例を示す図である。

電磁界シミュレーションに用いた設計条件は、以下の通りである。動作周波数ｆ_ｏは２．４５ＧＨｚ、パッチと地導体板は厚さ０の完全導体、地導体板のサイズは６０×６０ｍｍ^２、誘電体基板のサイズは６０×６０×３．２ｍｍ^３、誘電体基板の比誘電率は３．０、誘電体基板の基板損失は０．０である。

１番目のモデルのパッチ辺長（ｌ_ｘとｌ_ｙ）は上記の設計条件に基づいて、前述の式（１）～式（３）を用いて計算された値である。また、１番目のモデルの給電位置（パッチの中心からの距離）は、パッチ辺長の１／４となっている。

１番目のモデルに対する電磁界シミュレーションの結果、Ｓ_１１が最小となる周波数ｆ_ｓは２．３５ＧＨｚであり、そのＳ_１１は、－１６．０８３ｄＢであった。また、動作周波数ｆ_ｏである２．４５ＧＨｚにおけるＳ_１１は、－４．６９４ｄＢであった。

上記の場合、ｆ_ｓ＜ｆ_ｏであるため、図６におけるステップＳ１８のパッチを縮小する処理が行われる。図９の例では、パッチ辺長の初期値である３４．２ｍｍにｆ_ｓ／ｆ_ｏを乗じた値、３２．９ｍｍが、２番目のモデルのパッチ辺長として得られている。

さらに、スミスチャート上の入力インピーダンスの軌跡である円が大きすぎると判定されるため、図６におけるステップＳ２１の給電位置を内側に移動する処理が行われる。図９の例では、給電位置の初期値である８．５５ｍｍを短くした値、８．２３ｍｍが、２番目のモデルの給電位置として得られている。

２番目のモデルに対する電磁界シミュレーションの結果、Ｓ_１１が最小となる周波数ｆ_ｓは２．４５ＧＨｚとなり、動作周波数ｆ_ｏと一致した。ｆ_ｓ＝ｆ_ｏにおけるＳ_１１は、－１７．２３８ｄＢであった。

上記の場合、ｆ_ｓ＝ｆ_ｏであるため、Ｓ_１１が規定値より小さい場合（たとえば、規定値が－１５ｄＢの場合）には、ステップＳ１４の判定処理によって、パッチアンテナの設計が終了される。しかし、ここでは、Ｓ_１１＜規定値ではないものとする。その場合、上記の例では、ｆ_ｓ＝ｆ_ｏであるため、パッチ辺長の調整は行われないが、円が大きすぎると判定されるため、給電位置を内側に移動する処理が行われる。図９の例では、２番目のモデルの給電位置の８．２３ｍｍを短くした値、３．２９ｍｍが、３番目のモデルの給電位置として得られている。

３番目のモデルに対する電磁界シミュレーションの結果、Ｓ_１１が最小となる周波数ｆ_ｓは２．４ＧＨｚであり、そのＳ_１１は、－４．６２１ｄＢであった。また、動作周波数ｆ_ｏである２．４５ＧＨｚにおけるＳ_１１は－２．５４２ｄＢであった。

２．４ＧＨｚ≒２．４５ＧＨｚであるとすると、パッチ辺長の調整は行われないが、円が小さすぎると判定されるため、給電位置を内側に移動する処理が行われる。図９の例では、３番目のモデルの給電位置の３．２９ｍｍを長くした値、７．４８ｍｍが、４番目のモデルの給電位置として得られている。

４番目のモデルに対する電磁界シミュレーションの結果、Ｓ_１１が最小となる周波数ｆ_ｓは２．４４ＧＨｚであり、そのＳ_１１は、－２４．７２５ｄＢであった。また、動作周波数ｆ_ｏである２．４５ＧＨｚにおけるＳ_１１は－２０．０４２ｄＢであった。

上記の場合、２．４４≒２．４５であり、Ｓ_１１が規定値より小さい場合（たとえば、規定値が－２０ｄＢの場合）には、ステップＳ１４の判定処理によって、パッチアンテナの設計が終了される。しかし、ここでは、２．４４≒２．４５ではないものとする。

この場合、ｆ_ｓ＜ｆ_ｏであるため、図６におけるステップＳ１８のパッチを縮小する処理が行われる。図９の例では、４番目のモデルのパッチ辺長である３２．９ｍｍにｆ_ｓ／ｆ_ｏを乗じた値、３２．８ｍｍが、５番目のモデルのパッチ辺長として得られている。

さらに、スミスチャート上の入力インピーダンスの軌跡である円が大きすぎると判定されるため、給電位置を内側に移動する処理が行われる。図９の例では、４番目のモデルの給電位置である７．４８ｍｍを短くした値、７．４５ｍｍが、５番目のモデルの給電位置として得られている。

５番目のモデルに対する電磁界シミュレーションの結果、Ｓ_１１が最小となる周波数ｆ_ｓは２．４４５ＧＨｚであり、そのＳ_１１は、－２４．６６３ｄＢであった。また、動作周波数ｆ_ｏである２．４５ＧＨｚにおけるＳ_１１は－２４．１３２ｄＢであった。

図９には、５番目のモデルのパッチアンテナのパッチ辺長や、給電位置、反射係数の周波数特性が示されている。
上記のように、第２の実施の形態のアンテナ設計方法によれば、反射係数が最小の周波数ｆ_ｓと動作周波数ｆ_ｏとの比較結果に基づきパッチ辺長が計算され、スミスチャートの入力インピーダンスの軌跡に基づき給電位置が計算される。これにより、インピーダンス整合が容易になり、設計時間を短縮できるという第１の実施の形態のアンテナ設計方法と同様の効果が得られる。

さらに、上記のようにステップＳ１２からステップＳ２３の処理を繰り返すことで、動作周波数において、より良好なインピーダンス整合を得ることができ、より性能のよいパッチアンテナを設計可能となる。

なお、前述のように、上記の処理内容は、情報処理装置３０にプログラムを実行させることで実現できる。
プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体（たとえば、記録媒体３６ａ）に記録しておくことができる。記録媒体として、たとえば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリなどを使用できる。磁気ディスクには、ＦＤ及びＨＤＤが含まれる。光ディスクには、ＣＤ、ＣＤ－Ｒ（Recordable）／ＲＷ（Rewritable）、ＤＶＤ及びＤＶＤ－Ｒ／ＲＷが含まれる。プログラムは、可搬型の記録媒体に記録されて配布されることがある。その場合、可搬型の記録媒体から他の記録媒体（たとえば、ＨＤＤ３３）にプログラムをコピーして実行してもよい。

以上、実施の形態に基づき、本発明のアンテナ設計プログラム、アンテナ設計方法及び情報処理装置の一観点について説明してきたが、これらは一例にすぎず、上記の記載に限定されるものではない。

１０ 情報処理装置
１１ 記憶部
１１ａ 設計情報
１１ｂ 電磁界シミュレーション結果
１２ 処理部
１５ パッチアンテナ
１５ａ 誘電体基板
１５ｂ パッチ
１５ｃ 地導体板
１５ｄ 給電点
１５ｄａ 中心導体
１５ｄｂ 外導体

Claims (7)

1. パッチアンテナの設計情報を用いた電磁界シミュレーションの第１の結果に基づいて、前記パッチアンテナの反射係数が最小となる第１の周波数を検出し、
   指定された動作周波数と検出した前記第１の周波数との比較結果に基づいて、前記動作周波数における前記反射係数を減少させる前記パッチアンテナのパッチの辺長を計算し、
   前記第１の結果から得られる、スミスチャート上の前記パッチアンテナの入力インピーダンスの軌跡に基づいて、前記動作周波数における前記入力インピーダンスを、前記スミスチャートの中心点に近づける前記パッチアンテナの給電位置を計算する、
   処理をコンピュータに実行させるアンテナ設計プログラム。
2. 前記動作周波数よりも検出した前記第１の周波数が高い場合、前記設計情報が示す前記辺長を長くし、前記動作周波数よりも検出した前記第１の周波数が低い場合、前記設計情報が示す前記辺長を短くする、
   処理を前記コンピュータに実行させる請求項１に記載のアンテナ設計プログラム。
3. 前記軌跡である円が、前記中心点を含む場合、前記設計情報が示す前記給電位置を前記パッチの中心に近づけ、
   前記円が、前記中心点を含まない場合、前記設計情報が示す前記給電位置を前記パッチの中心から遠ざける、
   処理を前記コンピュータに実行させる請求項１または２に記載のアンテナ設計プログラム。
4. 前記スミスチャートにおいて、前記動作周波数における前記入力インピーダンスの点を原点とし、前記原点と前記中心点を通る第１の座標軸と、前記原点を通り前記第１の座標軸に垂直な第２の座標軸による座標系を設定し、前記動作周波数とは異なる第２の周波数における前記入力インピーダンスの点の前記第１の座標軸の値が正の場合、前記円が前記中心点を含むと判定し、前記第１の座標軸の値が負の場合、前記円が前記中心点を含まないと判定する、
   処理を前記コンピュータに実行させる請求項３に記載のアンテナ設計プログラム。
5. 計算した前記辺長及び前記給電位置を用いて、前記設計情報を更新し、
   更新された前記設計情報を用いた電磁界シミュレーションの第２の結果に基づいて、前記第１の周波数の検出、前記辺長の計算、前記給電位置の計算、及び前記設計情報の更新を、繰り返す、
   処理を前記コンピュータに実行させる請求項１乃至４の何れか一項に記載のアンテナ設計プログラム。
6. コンピュータが、
   パッチアンテナの設計情報を用いた電磁界シミュレーションの結果に基づいて、前記パッチアンテナの反射係数が最小となる周波数を検出し、
   指定された動作周波数と検出した前記周波数との比較結果に基づいて、前記動作周波数における前記反射係数を減少させる前記パッチアンテナのパッチの辺長を計算し、
   前記結果から得られる、スミスチャート上の前記パッチアンテナの入力インピーダンスの軌跡に基づいて、前記動作周波数における前記入力インピーダンスを、前記スミスチャートの中心点に近づける前記パッチアンテナの給電位置を計算する、
   アンテナ設計方法。
7. パッチアンテナの設計情報と、前記設計情報を用いた電磁界シミュレーションの結果とを記憶する記憶部と、
   前記結果に基づいて、前記パッチアンテナの反射係数が最小となる周波数を検出し、指定された動作周波数と検出した前記周波数との比較結果に基づいて、前記動作周波数における前記反射係数を減少させる前記パッチアンテナのパッチの辺長を計算し、前記結果から得られる、スミスチャート上の前記パッチアンテナの入力インピーダンスの軌跡に基づいて、前記動作周波数における前記入力インピーダンスを、前記スミスチャートの中心点に近づける前記パッチアンテナの給電位置を計算する処理部と、
   を有する情報処理装置。

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