Metamaterial assistido por aprendizado de máquina

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 12354 (2022) Citar este artigo

3653 Acessos

11 citações

4 Altmétrico

Detalhes das métricas

O design da antena evoluiu de designs mais volumosos para pequenos portáteis, mas há uma necessidade de um design de antena mais inteligente usando algoritmos de aprendizado de máquina que possam atender à alta demanda atual por dispositivos inteligentes e rápidos. Aqui nesta pesquisa, o foco principal está no desenvolvimento de projetos de antenas inteligentes usando aprendizado de máquina aplicável em aplicações móveis 5G e aplicações portáteis de Wi-Fi, Wi-MAX e WLAN. Nosso projeto é baseado no conceito de metamaterial onde o patch é truncado e gravado com um ressonador de anel dividido (SRR). O requisito de alto ganho é atendido pela adição de superstratos de metamateriais com fios finos (TW) e SRRs. A reconfigurabilidade é obtida adicionando três interruptores de diodo PIN. Vários projetos foram observados adicionando camadas de superstrato variando de uma camada a quatro camadas com troca de TWs e SRRs. O design do superstrato de metamaterial TW com duas camadas oferece o melhor desempenho em ganho, largura de banda e número de bandas. O design é otimizado alterando os parâmetros físicos do caminho. Para reduzir o tempo de simulação, o modelo de aprendizado de máquina baseado em Extra Tree Regression é usado para aprender o comportamento da antena e prever o valor de refletância para uma ampla faixa de frequências. Resultados experimentais provam que o uso do modelo baseado em Extra Tree Regression para simulação do projeto de antenas pode reduzir o tempo de simulação e os requisitos de recursos em 80%.

O desenvolvimento de antenas evoluiu de designs mais volumosos para designs portáteis de baixo peso. O design miniaturizado com baixo peso e tamanho é necessário para uso em dispositivos portáteis. Os projetos de antenas miniaturizadas têm a desvantagem de um ganho menor que precisa ser investigado. Esta desvantagem pode ser superada incorporando metamateriais no projeto da antena. Existem várias tentativas para melhorar o ganho incorporando metamateriais, aplicando meandros, etc. mas ainda há espaço para melhorar ainda mais isto usando técnicas semelhantes. Além disso, a reconfiguração deve ser aplicável em múltiplas aplicações como WiMAX, WLAN, 5G, etc.2,3. Esta reconfiguração pode ser realizada aplicando comutação com interruptores RF MEMS, diodos PIN, etc.4,5.

Metamateriais são materiais artificiais que conferem propriedades como permissividade negativa e permeabilidade que melhoram diversos parâmetros da antena6. SRR e TWs são as duas estruturas eficazes amplamente utilizadas para incorporar metamateriais no projeto de antenas . Um SRR complementar também é usado para gravar o plano de terra, o que melhora diferentes parâmetros da antena patch8. Yuan et al. apresentou uma fase assistida por quiralidade com avanços promissores em antenas de feixe reconfiguráveis9. Zhang e co-autores desenvolveram dois geradores de feixe de vórtice com potencial aplicação em sistemas de comunicação de momento angular orbital . Antenas de metamateriais são aplicáveis ​​em diversas aplicações como wi-fi, WLAN, Wi-MAX, dispositivos vestíveis, etc. Os metamateriais também são úteis para obter varredura de feixe, melhorar o ganho, reduzir o tamanho, operação multifrequencial, etc. antena patch microstrip simples para melhorar o ganho da antena11. A antena Vivaldi carregada com metamaterial com sua capacidade de alto ganho pode ser empregada para aplicações de imagem . Antenas carregadas com metamateriais são usadas no projeto de dispositivos vestíveis . A varredura do feixe de radiação é muito importante no projeto de antenas e essa varredura pode ser alcançada pela antena de metamaterial . O tamanho da antena também pode ser reduzido carregando metamateriais na antena .

O metamaterial superstrato pode ser usado para melhorar o ganho da antena. Os superstratos são empilhados acima do patch de microfita, um após o outro, para melhorar o ganho e melhorar o comportamento de radiação da antena. Saravanan et al. apresentaram uma antena superstrata assistida por metamaterial para aplicações sem fio modernas que atinge o maior ganho de 7,94 dB com um coeficiente de reflexão de -28,64 dB a 2,4 GHz . Patel e co-autores fabricaram uma estrutura baseada em microfita com ganho aprimorado que pode ser utilizada como um bloco unitário de um sistema de radar para aplicações de vigilância . Ojo et al. relataram um conjunto de antenas MIMO para melhorar o ganho e a largura de banda e a largura de banda melhorou em 12,45%19. Sumathi e co-autores projetaram uma antena patch de microfita baseada em superstrato de metamaterial com diodos de pino como um mecanismo de comutação para aplicações em dispositivos de rede sem fio para banda C / X / Ku .