機械学習支援メタマテリアル

Scientific Reports volume 12、記事番号: 12354 (2022) この記事を引用

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4 オルトメトリック

メトリクスの詳細

アンテナ設計は、大型のものから小型のポータブル設計へと進化してきましたが、スマートで高速なデバイスに対する今日の高まる需要を満たすことができる、機械学習アルゴリズムを使用した、よりスマートなアンテナ設計が必要です。 この研究では、5G モバイル アプリケーションやポータブル Wi-Fi、Wi-MAX、WLAN アプリケーションに適用可能な機械学習を使用したスマート アンテナ設計の開発に主な焦点を当てています。 私たちの設計は、パッチが切り取られ、スプリット リング共振器 (SRR) でエッチングされるメタマテリアルのコンセプトに基づいています。 高ゲイン要件は、細いワイヤ (TW) と SRR を備えたメタマテリアル スーパーストレートを追加することで満たされます。 再構成可能性は、3 つの PIN ダイオード スイッチを追加することによって実現されます。 TW と SRR を交換して 1 層から 4 層までのスーパーストレート層を追加することで、複数の設計が観察されています。 2 層の TW メタマテリアル スーパーストレート設計により、ゲイン、帯域幅、バンド数において最高のパフォーマンスが得られます。 設計は、パスの物理パラメータを変更することによって最適化されます。 シミュレーション時間を短縮するために、エクストラ ツリー回帰ベースの機械学習モデルを使用してアンテナの動作を学習し、広範囲の周波数の反射率値を予測します。 実験結果は、アンテナ設計のシミュレーションにエクストラ ツリー回帰ベースのモデルを使用すると、シミュレーション時間とリソース要件を 80% 削減できることを証明しています。

アンテナの開発は、よりかさばる設計から、軽量でポータブルな設計へと進化してきました。 携帯機器に使用される場合には、小型・軽量・低サイズの設計が求められる。 小型化されたアンテナ設計には、利得が低いという欠点があり、これを調査する必要があります。 この欠点は、アンテナ設計にメタマテリアルを組み込むことで克服できます1。 メタマテリアルを組み込んだり、蛇行を適用したりすることで利得を改善する試みがいくつかありますが、同様の技術を使用してこれをさらに改善できる余地はまだあります。 さらに、再構成は WiMAX、WLAN、5G などの複数のアプリケーションに適用できる必要があります 2、3。 この再構成は、RF MEMS スイッチや PIN ダイオードなどによるスイッチングを適用することで実現できます 4,5。

メタマテリアルは、アンテナのいくつかのパラメータを改善する負の誘電率や透磁率などの特性を与える人工材料です6。 SRR と TW は、アンテナ設計にメタマテリアルを組み込むために広く使用されている 2 つの効果的な構造です7。 補足的な SRR は、パッチ アンテナのさまざまなパラメータを改善するグランド プレーンのエッチングにも使用されます8。 ユアンら。 は、再構成可能なビームアンテナの有望な進歩を伴うキラリティー支援フェーズを提示しました9。 Zhang らは、軌道角運動量通信システムに応用できる可能性のある 2 つの渦ビーム発生器を開発しました10。 メタマテリアル アンテナは、Wi-Fi、WLAN、Wi-MAX、ウェアラブル デバイスなどのいくつかのアプリケーションに適用できます。メタマテリアルは、ビーム スキャニング、ゲインの向上、サイズの縮小、多周波数動作などの実現にも役立ちます。メタマテリアル スーパーストレートは、アンテナの利得を向上させるための単純なマイクロストリップ パッチ アンテナ11。 高利得機能を備えたメタマテリアル搭載 Vivaldi アンテナは、イメージング アプリケーションに使用できます12。 メタマテリアルを搭載したアンテナは、ウェアラブル デバイスの設計に使用されます13、14。 放射ビームの走査はアンテナの設計において非常に重要であり、この走査はメタマテリアル アンテナによって実現できます15。 アンテナのサイズは、アンテナにメタマテリアルをロードすることによっても縮小できます16。

スーパーストレート メタマテリアルを使用して、アンテナの利得を向上させることができます。 スーパーストレートは、利得を改善し、アンテナの放射挙動を強化するために、マイクロストリップ パッチの上に次々と積み重ねられます。 サラバナンら。 は、2.4 GHz で - 28.64 dB の反射係数で 7.94 dB の最高利得を達成する、最新のワイヤレス アプリケーション向けのメタマテリアル支援スーパーストレート アンテナを発表しました17。 Patel とその共著者は、監視アプリケーション用のレーダー システムのユニット ブロックとして利用できる、ゲインを強化したマイクロストリップ ベースの構造を製造しました。 大城ら。 は、利得と帯域幅を強化するための MIMO アレイ アンテナを報告し、帯域幅は 12.45% 改善されました19。 Sumathi氏らは、C/X/Kuバンド20用の無線ネットワークデバイスのアプリケーション向けのスイッチングメカニズムとして、ピンダイオードを備えたメタマテリアルスーパーストレートベースのマイクロストリップパッチアンテナを設計した。