Метаматериал с помощью машинного обучения

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 12354 (2022) Цитировать эту статью

3653 Доступа

11 цитат

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Конструкция антенн превратилась из более громоздких в небольшие портативные конструкции, но существует потребность в более разумной конструкции антенны с использованием алгоритмов машинного обучения, которые могут удовлетворить современный растущий спрос на интеллектуальные и быстрые устройства. В этом исследовании основное внимание уделяется разработке конструкции интеллектуальной антенны с использованием машинного обучения, применимого в мобильных приложениях 5G и портативных приложениях Wi-Fi, Wi-MAX и WLAN. Наш дизайн основан на концепции метаматериала, в которой заплатка усечена и выгравирована с помощью разрезного кольцевого резонатора (SRR). Требование высокого усиления удовлетворяется за счет добавления суперстратов метаматериалов с тонкими проволоками (TW) и SRR. Возможность реконфигурации достигается за счет добавления трех PIN-диодных переключателей. Было обнаружено несколько конструкций с добавлением слоев суперстрата от одного до четырех слоев с чередованием TW и SRR. Конструкция суперстрата из метаматериала TW с двумя слоями обеспечивает наилучшие характеристики по усилению, полосе пропускания и количеству полос. Конструкция оптимизирована за счет изменения физических параметров пути. Чтобы сократить время моделирования, используется модель машинного обучения на основе дополнительной регрессии дерева для изучения поведения антенны и прогнозирования значения отражательной способности для широкого диапазона частот. Экспериментальные результаты доказывают, что использование модели на основе дополнительной регрессии дерева для моделирования конструкции антенны может сократить время моделирования и требования к ресурсам на 80%.

Разработка антенн эволюционировала от более громоздких конструкций к легким портативным конструкциям. Миниатюрная конструкция, имеющая небольшой вес и размер, необходима для использования в портативных устройствах. Миниатюрные конструкции антенн имеют недостаток, заключающийся в более низком коэффициенте усиления, который необходимо изучить. Этот недостаток можно преодолеть за счет включения в конструкцию антенны метаматериалов1. Есть несколько попыток улучшить выигрыш за счет включения метаматериалов, применения меандрирования и т. д., но все еще есть возможности для дальнейшего улучшения этого результата с использованием аналогичных методов. Кроме того, реконфигурация должна быть применима в нескольких приложениях, таких как WiMAX, WLAN, 5G и т. д.2,3. Эту реконфигурацию можно реализовать, применяя переключение с помощью RF MEMS-переключателей, PIN-диодов и т. д.4,5.

Метаматериалы — это искусственные материалы, которые придают такие свойства, как отрицательная диэлектрическая проницаемость и проницаемость, которые улучшают некоторые параметры антенны6. SRR и TW — две эффективные структуры, широко используемые для включения метаматериалов в конструкцию антенн7. Дополнительный SRR также используется для травления заземления, что улучшает различные параметры патч-антенны8. Юань и др. представили фазу киральности с многообещающими достижениями в области реконфигурируемых лучевых антенн9. Чжан и соавторы разработали два генератора вихревых пучков с потенциальным применением в орбитальных системах связи по угловому моменту10. Антенны из метаматериала применимы в нескольких приложениях, таких как Wi-Fi, WLAN, Wi-MAX, носимые устройства и т. д. Метаматериалы также полезны для сканирования луча, улучшения усиления, уменьшения размера, многочастотной работы и т. д. Суперстрат метаматериала добавляется к простая микрополосковая патч-антенна для улучшения усиления антенны11. Антенна Вивальди, наполненная метаматериалом, с ее высоким коэффициентом усиления может использоваться для визуализации12. Антенны, нагруженные метаматериалом, используются при разработке носимых устройств13,14. Сканирование пучка излучения очень важно при проектировании антенн, и это сканирование может быть достигнуто с помощью антенны из метаматериала15. Размер антенны также можно уменьшить, загрузив в антенну метаматериалы16.

Суперстратный метаматериал можно использовать для улучшения усиления антенны. Суперстраты укладываются друг за другом над микрополосковой накладкой, чтобы улучшить усиление и улучшить характеристики излучения антенны. Сараванан и др. представили суперстратную антенну с использованием метаматериала для современных беспроводных приложений, которая обеспечивает максимальный коэффициент усиления 7,94 дБ с коэффициентом отражения − 28,64 дБ на частоте 2,4 ГГц17. Патель и соавторы изготовили структуру на основе микрополосков с повышенным коэффициентом усиления, которую можно использовать в качестве единичного блока радиолокационной системы для приложений наблюдения18. Оджо и др. сообщила об использовании антенной решетки MIMO для увеличения усиления и пропускной способности, при этом пропускная способность улучшилась на 12,45%19. Сумати и соавторы разработали микрополосковую патч-антенну на основе суперстрата метаматериала с pin-диодами в качестве механизма переключения для приложений в беспроводных сетевых устройствах для C/X/Ku-диапазона20.