기계 학습 지원 메타물질

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 12354(2022) 이 기사 인용

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안테나 설계는 부피가 큰 것에서 작은 휴대용 설계로 발전했지만 스마트하고 빠른 장치에 대한 오늘날 점점 증가하는 수요를 충족할 수 있는 기계 학습 알고리즘을 사용하는 보다 스마트한 안테나 설계가 필요합니다. 본 연구에서는 5G 모바일 애플리케이션과 휴대용 Wi-Fi, Wi-MAX, WLAN 애플리케이션에 적용 가능한 머신러닝을 활용한 스마트 안테나 설계 개발에 중점을 두고 있습니다. 우리의 디자인은 패치가 잘리고 분할 링 공진기(SRR)로 에칭되는 메타물질 개념을 기반으로 합니다. 얇은 와이어(TW)와 SRR을 갖춘 메타물질 슈퍼스트레이트를 추가하면 높은 이득 요구 사항이 충족됩니다. 3개의 PIN 다이오드 스위치를 추가하면 재구성이 가능해집니다. TW와 SRR을 상호 교환하여 1개 층에서 4개 층까지의 슈퍼스트레이트 층을 추가함으로써 여러 설계가 관찰되었습니다. 두 개의 레이어로 구성된 TW 메타물질 슈퍼스트레이트 설계는 이득, 대역폭 및 대역 수 측면에서 최고의 성능을 제공합니다. 경로의 물리적 매개변수를 변경하여 설계가 최적화됩니다. 시뮬레이션 시간을 단축하기 위해 Extra Tree Regression 기반 기계 학습 모델을 사용하여 안테나의 동작을 학습하고 광범위한 주파수에 대한 반사율 값을 예측합니다. 실험 결과는 안테나 설계 시뮬레이션에 Extra Tree Regression 기반 모델을 사용하면 시뮬레이션 시간과 리소스 요구 사항을 80%까지 줄일 수 있음을 입증합니다.

안테나 개발은 부피가 큰 디자인에서 무게가 가벼운 휴대용 디자인으로 발전했습니다. 휴대용 기기에 사용되기 위해서는 무게와 크기가 작고 소형화된 디자인이 요구됩니다. 소형화된 안테나 설계에는 조사가 필요한 낮은 이득이라는 단점이 있습니다. 이러한 단점은 안테나 설계에 메타물질을 통합함으로써 극복될 수 있습니다1. 메타물질 통합, 사행 적용 등을 통해 이득을 개선하려는 여러 시도가 있지만 유사한 기술을 사용하여 이를 더욱 개선할 여지가 여전히 있습니다. 또한 재구성은 WiMAX, WLAN, 5G 등과 같은 여러 애플리케이션에 적용 가능해야 합니다.2,3. 이러한 재구성은 RF MEMS 스위치, PIN 다이오드 등을 사용한 스위칭을 적용하여 실현할 수 있습니다.4,5.

메타물질은 안테나의 여러 매개변수를 향상시키는 음의 유전율 및 투자율과 같은 특성을 제공하는 인공 물질입니다6. SRR과 TW는 안테나 설계에 메타물질을 통합하는 데 널리 사용되는 두 가지 효과적인 구조입니다. 보완적인 SRR은 패치 안테나의 다양한 매개변수를 향상시키는 접지면을 에칭하는 데에도 사용됩니다8. Yuan et al. 재구성 가능한 빔 안테나의 유망한 발전으로 키랄성 지원 위상을 제시했습니다. Zhang과 공동 저자는 궤도 각 운동량 통신 시스템에 잠재적으로 응용할 수 있는 두 개의 와류 빔 생성기를 개발했습니다. 메타물질 안테나는 Wi-Fi, WLAN, Wi-MAX, 웨어러블 장치 등과 같은 여러 응용 분야에 적용 가능합니다. 메타물질은 빔 스캐닝 달성, 이득 개선, 크기 감소, 다중 주파수 작동 등에 유용합니다. 안테나의 이득을 향상시키는 간단한 마이크로스트립 패치 안테나11. 높은 이득 기능을 갖춘 메타물질 탑재 Vivaldi 안테나는 이미징 애플리케이션에 사용될 수 있습니다. 메타물질 탑재 안테나는 웨어러블 장치 설계에 사용됩니다. 방사선 빔 스캐닝은 안테나 설계에 매우 중요하며 이 스캐닝은 메타물질 안테나15를 통해 달성할 수 있습니다. 안테나에 메타물질을 탑재하여 안테나 크기를 줄일 수도 있습니다16.

Superstrate 메타물질은 안테나의 이득을 향상시키는 데 사용될 수 있습니다. 슈퍼스트레이트는 마이크로스트립 패치 위에 차례로 쌓여 이득을 향상시키고 안테나의 방사 동작을 향상시킵니다. Saravananet al. 은 2.4GHz에서 반사 계수 -28.64dB로 7.94dB의 최고 이득을 달성하는 최신 무선 애플리케이션을 위한 메타물질 지원 슈퍼스트레이트 안테나를 제시했습니다17. Patel과 공동 저자는 감시 애플리케이션용 레이더 시스템의 단위 블록으로 활용할 수 있는 향상된 이득을 갖춘 마이크로스트립 기반 구조를 제작했습니다. Ojoet al. 이득과 대역폭을 향상시키고 대역폭이 12.45% 향상되는 MIMO 배열 안테나를 보고했습니다19. Sumathi와 공동 저자는 C/X/Ku-band20용 무선 네트워크 장치 애플리케이션을 위한 스위칭 메커니즘으로 핀 다이오드가 있는 메타물질 슈퍼스트레이트 기반 마이크로스트립 패치 안테나를 설계했습니다.