Métamatériau assisté par apprentissage automatique

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 12354 (2022) Citer cet article

3653 Accès

11 citations

4 Altmétrique

Détails des métriques

La conception des antennes a évolué, passant de conceptions plus volumineuses à des conceptions portables plus petites, mais il existe un besoin pour une conception d'antenne plus intelligente utilisant des algorithmes d'apprentissage automatique qui peuvent répondre à la forte demande croissante d'appareils intelligents et rapides. Ici, dans cette recherche, l'accent est mis sur le développement d'une conception d'antenne intelligente utilisant l'apprentissage automatique applicable aux applications mobiles 5G et aux applications portables Wi-Fi, Wi-MAX et WLAN. Notre conception est basée sur le concept métamatériau où le patch est tronqué et gravé avec un résonateur à anneau fendu (SRR). L'exigence de gain élevé est satisfaite par l'ajout de superstrats métamatériaux comportant des fils fins (TW) et des SRR. La reconfigurabilité est obtenue en ajoutant trois commutateurs à diode PIN. Plusieurs conceptions ont été observées en ajoutant des couches de superstrat allant d'une couche à quatre couches avec des TW et des SRR interchangeables. La conception du superstrat métamatériau TW à deux couches offre les meilleures performances en termes de gain, de bande passante et de nombre de bandes. La conception est optimisée en modifiant les paramètres physiques du chemin. Pour réduire le temps de simulation, un modèle d'apprentissage automatique basé sur Extra Tree Regression est utilisé pour apprendre le comportement de l'antenne et prédire la valeur de réflectance pour une large gamme de fréquences. Les résultats expérimentaux prouvent que l'utilisation du modèle basé sur Extra Tree Regression pour la simulation de la conception d'antennes peut réduire le temps de simulation et les besoins en ressources de 80 %.

Le développement des antennes a évolué de conceptions plus volumineuses vers des conceptions portables de faible poids. La conception miniaturisée ayant un faible poids et une petite taille doit être utilisée dans des appareils portables. Les conceptions d’antennes miniaturisées présentent l’inconvénient d’un gain plus faible qui doit être étudié. Cet inconvénient peut être surmonté en incorporant des métamatériaux dans la conception de l'antenne1. Il existe plusieurs tentatives pour améliorer le gain en incorporant des métamatériaux, en appliquant des méandres, etc., mais il est encore possible de l'améliorer davantage en utilisant des techniques similaires. De plus, la reconfiguration doit être applicable dans plusieurs applications telles que WiMAX, WLAN, 5G, etc.2,3. Cette reconfiguration peut être réalisée en appliquant une commutation avec des commutateurs RF MEMS, des diodes PIN, etc.4,5.

Les métamatériaux sont des matériaux artificiels qui confèrent des propriétés telles que la permittivité négative et la perméabilité qui améliorent plusieurs paramètres de l'antenne6. SRR et TW sont les deux structures efficaces largement utilisées pour incorporer des métamatériaux dans la conception d'antennes7. Un SRR complémentaire est également utilisé pour graver le plan de masse, ce qui améliore différents paramètres de l'antenne patch8. Yuan et coll. a présenté une phase assistée par chiralité avec des avancées prometteuses dans les antennes à faisceau reconfigurable9. Zhang et ses co-auteurs ont développé deux générateurs de faisceaux vortex susceptibles d’être utilisés dans les systèmes de communication orbitaux à moment cinétique10. Les antennes métamatériaux sont applicables dans plusieurs applications telles que le Wi-Fi, le WLAN, le Wi-MAX, les appareils portables, etc. Les métamatériaux sont également utiles pour réaliser le balayage du faisceau, améliorer le gain, réduire la taille, le fonctionnement multifréquence, etc. Le superstrat métamatériau est ajouté à un Antenne patch microruban simple pour améliorer le gain de l'antenne11. L'antenne Vivaldi chargée en métamatériaux, avec sa capacité à gain élevé, peut être utilisée pour les applications d'imagerie12. Les antennes chargées en métamatériaux sont utilisées dans la conception de dispositifs portables13,14. Le balayage du faisceau de rayonnement est très important dans la conception des antennes et ce balayage peut être réalisé par une antenne métamatériau15. La taille de l’antenne peut également être réduite en chargeant des métamatériaux dans l’antenne16.

Le métamatériau superstrat peut être utilisé pour améliorer le gain de l'antenne. Les superstrats sont empilés au-dessus du patch microruban les uns après les autres pour améliorer le gain et améliorer le comportement de rayonnement de l'antenne. Saravanan et coll. a présenté une antenne superstrat assistée par métamatériau pour les applications sans fil modernes qui atteint le gain le plus élevé de 7,94 dB avec un coefficient de réflexion de - 28,64 dB à 2,4 GHz17. Patel et ses co-auteurs ont fabriqué une structure basée sur des microrubans avec un gain amélioré qui peut être utilisée comme bloc unitaire d'un système radar pour des applications de surveillance18. Ojo et coll. a signalé une antenne réseau MIMO pour améliorer le gain et la bande passante, et la bande passante a été améliorée de 12,45 %19. Sumathi et ses co-auteurs ont conçu une antenne patch microruban basée sur un superstrat métamatériau avec des diodes à broches comme mécanisme de commutation pour les applications dans les dispositifs de réseau sans fil pour la bande C/X/Ku20.