Metamateriale assistito dall'apprendimento automatico

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 12354 (2022) Citare questo articolo

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Il design delle antenne si è evoluto da progetti più ingombranti a progetti piccoli e portatili, ma esiste la necessità di una progettazione di antenne più intelligente che utilizzi algoritmi di apprendimento automatico in grado di soddisfare la crescente domanda odierna di dispositivi intelligenti e veloci. In questa ricerca, l'obiettivo principale è lo sviluppo della progettazione di antenne intelligenti utilizzando l'apprendimento automatico applicabile nelle applicazioni mobili 5G e nelle applicazioni Wi-Fi portatili, Wi-MAX e WLAN. Il nostro design si basa sul concetto di metamateriale in cui la patch viene troncata e incisa con un risonatore ad anello diviso (SRR). Il requisito di elevato guadagno viene soddisfatto aggiungendo superstrati metamateriali aventi fili sottili (TW) e SRR. La riconfigurabilità si ottiene aggiungendo tre interruttori a diodi PIN. Sono stati osservati progetti multipli aggiungendo strati superstrati che vanno da uno strato a quattro strati con TW e SRR intercambiabili. Il design del superstrato metamateriale TW con due strati offre le migliori prestazioni in termini di guadagno, larghezza di banda e numero di bande. Il design viene ottimizzato modificando i parametri fisici del percorso. Per ridurre i tempi di simulazione, viene utilizzato il modello di apprendimento automatico basato su Extra Tree Regression per apprendere il comportamento dell'antenna e prevedere il valore di riflettanza per un'ampia gamma di frequenze. I risultati sperimentali dimostrano che l'uso del modello basato sulla regressione extra albero per la simulazione della progettazione di un'antenna può ridurre i tempi di simulazione e i requisiti di risorse dell'80%.

Lo sviluppo delle antenne si è evoluto da design più ingombranti a design portatili a basso peso. Il design miniaturizzato con peso e dimensioni ridotti deve essere utilizzato nei dispositivi portatili. I progetti di antenne miniaturizzate presentano l'inconveniente di un guadagno inferiore che deve essere studiato. Questo inconveniente può essere superato incorporando metamateriali nella progettazione dell'antenna1. Esistono diversi tentativi per migliorare il guadagno incorporando metamateriali, applicando il meandro, ecc. Ma c'è ancora spazio per migliorarlo ulteriormente utilizzando tecniche simili. Inoltre, è necessario che la riconfigurazione sia applicabile in più applicazioni come WiMAX, WLAN, 5G, ecc.2,3. Questa riconfigurazione può essere realizzata applicando la commutazione con interruttori RF MEMS, diodi PIN, ecc.4,5.

I metamateriali sono materiali artificiali che conferiscono proprietà come permettività negativa e permeabilità che migliorano diversi parametri dell'antenna6. SRR e TW sono le due strutture efficaci ampiamente utilizzate per incorporare metamateriali nella progettazione di antenne7. Un SRR complementare viene utilizzato anche per incidere il piano di massa che migliora diversi parametri dell'antenna patch8. Yuan et al. ha presentato una fase assistita dalla chiralità con progressi promettenti nelle antenne a fascio riconfigurabili9. Zhang e coautori hanno sviluppato due generatori di fasci di vortici con potenziale applicazione nei sistemi di comunicazione del momento angolare orbitale10. Le antenne metamateriali sono applicabili in diverse applicazioni come Wi-Fi, WLAN, Wi-MAX, dispositivi indossabili, ecc. I metamateriali sono utili anche per ottenere la scansione del raggio, migliorare il guadagno, ridurre le dimensioni, il funzionamento multifrequenza, ecc. Il superstrato metamateriale viene aggiunto a un semplice antenna patch a microstriscia per migliorare il guadagno dell'antenna11. L'antenna Vivaldi caricata in metamateriale con la sua capacità ad alto guadagno può essere utilizzata per applicazioni di imaging12. Le antenne caricate in metamateriale vengono utilizzate nella progettazione di dispositivi indossabili13,14. La scansione del fascio di radiazioni è molto importante nella progettazione delle antenne e questa scansione può essere ottenuta mediante un'antenna metamateriale15. Le dimensioni dell'antenna possono anche essere ridotte caricando metamateriali nell'antenna16.

Il metamateriale superstrato può essere utilizzato per migliorare il guadagno dell'antenna. I superstrati vengono impilati uno dopo l'altro sopra la microstriscia per migliorare il guadagno e migliorare il comportamento di radiazione dell'antenna. Saravanan et al. ha presentato un'antenna superstrato assistita da metamateriale per le moderne applicazioni wireless che raggiunge il guadagno più alto di 7,94 dB con un coefficiente di riflessione di -28,64 dB a 2,4 GHz17. Patel e coautori hanno fabbricato una struttura basata su microstriscia con guadagno potenziato che può essere utilizzata come blocco unitario di un sistema radar per applicazioni di sorveglianza18. Ojo et al. ha segnalato un'antenna array MIMO per migliorare il guadagno e la larghezza di banda e la larghezza di banda è migliorata del 12,45%19. Sumathi e coautori hanno progettato un'antenna patch a microstriscia basata su superstrato metamateriale con diodi pin come meccanismo di commutazione per applicazioni in dispositivi di rete wireless per banda C/X/Ku20.