ارتقا و بهینه‌سازی کامپوزیت همگن درآنتن های آرایه ای با استفاده از شبکه عصبی کانولوشن

روش‌های هوشمند در صنعت برق

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده، انتشار آنلاین از تاریخ 22 مهر 1402   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

گوهر ورامینی^{* 1}؛ بهنام درستکار یاقوتی²

¹گروه مهندسی برق- واحد بیضا، دانشگاه آزاد اسلامی، بیضا، ایران

²گروه فناوری اطلاعات و ارتباطات-دانشگاه علوم انتظامی امین، تهران، ایران

چکیده

ساختار و عملکرد آنتن­ها، پهنای باند، بهره و هدایت مهمترین شاخص­های عملکرد بشمار می­آیند. برای این منظور خط انتقال همگن دست راست–چپ به دلیل تلفات کم، تغییرات فاز، پهنای باند فرکانس، رزونانس مرتبه صفر و منفی، مینیاتورسازی و ساخت آسان از اهمیت و جایگاه بالایی برخوردار و در طراحی آنتن پهن باند و آرایه ای بسیار مناسب است. ساختار دست راست-چپی در آنتن­ها به دلیل تفاوت فاز بخش راست در تکرار آرایه­ها و ضخامت لایه دچار تاخیر فاز و در نهایت انحراف الگوی تابشی است. از طرفی مسدود شدن خط انتقال در قسمت چپ باعث محدودیت پهنای باند و افزایش میزان تلفات سیستم می­گردد. در این مقاله با کمک یادگیری عمیق نقایص کامپوزیت برطرف و بهینه­سازی آنتن آرایه­ای را شامل شده است. طراحی خط انتقال آنتن پیشنهادی در محدوده 2 الی 7 گیگاهرتز، فرکانس تشدید بهینه 5/4 گیگاهرتز و الگوریتم عصبی کانولوشن، رزونانس دوگانه و سلف مارپیچی در چهار آرایه بر روی پچ بارگذاری شده است. استفاده از شبکه عصبی پیچشی در خط انتقال چپ، تاخیر فاز سمت راست را جبران و در نهایت تغییرات فاز بهینه و اصلاح الگوی تابشی و اسکن مداوم آرایه­های فازی را مقدور می­سازد. همچنین با ایجاد شکاف در پچ مایکرواستریپ محدودیت پهنای باند برطرف و تلفات سیستم کاهش می­یابد. ابعاد ثانویه نسبت به بعد اولیه با توجه به مدل اصلاح شده هوشمند تا حدود 60 درصد کاهش سایز و مینیاتورسازی صورت می­گیرد. نتایج این کامپوزیت ارتقا یافته نشان دهنده افزایش پهنای باند 3/20 و بهره­وری الگوی تابش بیش از 96 درصد است. از طرفی ابعاد کوچک، پهنای باند فرکانسی مناسب و طراحی ساده شبکه نیز تامین شده است.

کلیدواژه‌ها

آنتن آرایه‌ای؛ پچ مایکرواستریپ؛ شبکه عصبی کانولوشن؛ کامپوزیت همگن؛ یادگیری عمیق

سایر فایل های مرتبط با مقاله

1971-Extended Abstract.pdf

مراجع

[1] X.M. Yang, Q.H. Sun, Y. Jing, Q. Cheng, X.Y. Zhou, H.W. Kong, T.J. Cui, "Increasing the bandwidth of microstrip patch antenna", IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol. 69, no. 12, pp. 373-378, 2022 (doi: 10.1109/IECAP.2022.6333156).

[2] P.S. Jack, G.A.E. Vandenbosch, S.L. Ooi, M.R.N. Husna, "Wearable dual-band Sierpinski fractal PIFA using conductive fabric", Electronics Leterss, vol. 57, no. 6, pp. 365-367, Sept. 2022 (doi: 10.1109/PICAP.20­22.6­4­5­7123).

[3] Y. Mei, Z. Gao, "CS-based CSIT estimation for downlink pilot decontamination in multi-cell FDD massive MIMO", Proceeding of the IEEE/ICCC, pp. 1-5, China, Aug. 2021 (doi: 10.1109/ICCC527­77.202­1.95­8039- 8).

[4] H. Fawaz, M.E. Helou, S. Lahoud, K. Khawam, "A reinforcement learning approach to queue-aware scheduling in full-duplex wireless networks", Computer Networks, vol.189, Article Number: 107893, April 2021 (doi: 10.1016/j.comnet.2021.107893).

[5] R. Vijayanand, D. Devaraj, "A novel feature selection method using whale optimization algorithm and genetic operators for intrusion detection system in wireless mesh network", IEEE Access, vol. 8, pp. 56847-56854, March 2020 (doi: 10.1109/ACCESS.2020.2978035).

[6] G. Varamini, A. Keshtkar, M. Naser-Moghadasi, "Compact and miniaturized microstrip antenna based on fractal and metamaterial loads with reconfigurable qualification", AEU-International Journal of Electronics and Communications, vol. 83, pp. 213-221, May 2020 (doi: 10.1109/AECAP.2020.723221).

[7] A. Akbarpour-Kasgari, M. Ardebilipour, "Massive MIMO-OFDM channel estimation via distributed comperes- sed sensing", IEEE Wireless Communications Letters, vol. 8, no. 2, pp. 376-379, April 2019 (doi: 10.1­109/L- WC.2018.2873339).

[8] W. Cui, K. Shen, W. Yu, "Spatial deep learning for wireless scheduling", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 37, no. 6, pp. 1248-1261, March 2019 (doi: 10.1109/JSAC.2019.2904352).

[9] E. Hosseini, E. Aghadavoodi, G. Shahgholian, H. Mahdavi-Nasab, "Intelligent pitch angle control based on gain-scheduled recurrent ANFIS", Journal of Renewable Energy and Environment, vol. 6, no. 1, pp. 36-45,  April 2019 (doi: 10.30501/jree.2019.95920).

[10] A. Bhattacharya, B. Roy, S.K. Chowdhury, A.K. Bhattacharjee, "Design and analysis of a koch snowflake fractal monopole antenna for wideband communication", Applied Computational Electromagnetics Society Journal, vol. 32, no. 6, pp.356-369, May 2017 (doi: 10.1109/APCAP.2017.6123156).

[11] S. Jacobsson, G. Durisi, M. Coldrey, T. Goldstein, C. Studer, "Quantized precoding for massive MU-MIMO", IEEE Trans. on Communications, vol. 65, no. 11, pp. 4670–4684, July 2017 (doi: 10.1109/TCOM­M.201­7.2- 723000).

[12] M. Behnam, H. Pourghassem, "Spectral correlation power-based seizure detection using statistical multi-level dimensionality reduction and PSO-PNN optimization algorithm", IETE Journal of Research, vol. 63, no. 5, pp. 736-753, April 2017 (doi: 10.1080/03772063.2017.1308845).

[13] K.T. Chandrasekaran, M.F. Karim, N. Nasimuddin, A. Alphones. "CRLH structure-based high-impedance surface for performance enhancement of planar antennas", IET Microwaves, Antennas and Propagation, vol. 11, no. 6, pp. 818-826,  April 2016 (doi: 10.1109/IECAP.2016.6344156).

[14] A.  Pirooj, M. Naser‐Moghadasi, F.B. Zarrabi. "Design of compact slot antenna based on split ring resonator for 2.45/5 GHz WLAN applications with circular polarization", Microwave and Optical Technology, vol. 58, no. 1, pp. 12-16,  May 2016 (doi: 10.1109/ RDCAPE.2016.7281302).

[15] A. Behdan, B. Fani, E. Adib, "Reliability evaluation of power system SVC types using a markov chain", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 6, no. 2, pp. 193-212, Sept. 2015 (dor: 20.1001.1.23223871.1394.6.22.2.8).

[16] N. Ojaroudi, Y. Ojaroudi, S. Ojaroudi. "Novel design of UWB band-stop filter (BSF) based on koch fractal structures", Applied Computational Electromagnetics Society Journal, no. 15, vol. 7, pp. 89-97, July 2015 (doi: 10.1109/ RDCAPE.2015.7281362).

[17] S. Oymak, A. Jalali, M. Fazel, Y.C. Eldar, B. Hassibi, "Simultaneously structured models with application to sparse and low-rank matrices", IEEE Trans. on Information Theory, vol. 61, no. 5, pp. 2886-2908, May 2015 (doi: 10.1109/TIT.2015.2401574).

[18] J.S. Gomez-Diaz, A. Alvarez-Melcon, J. Perruisseau-Carrier, "Analysis of the radiation characteristics of CRLH LWAs around broadside", Proceeding of the IEEE/EUCAP, pp. 2876-2880, Prague, Czech Republic, March 2012 (doi: 10.1109/EuCAP.2012.6205934).

[19] D. M Blough, G. Resta, P. Santi, R. Srinivasan, L.M. Cortes-Pena, "Optimal one-shot scheduling for MIMO networks", Proceeding of the IEEE/SECON, pp. 404-412, Salt Lake City, UT, USA, June 2011 (doi: 10.1­109/SAHCN.2011.5984924).

[20] B. Mumey, J. Tang, T. Hahn, "Algorithmic aspects of communications in multihop wireless networks with MIMO links", Proceeding of the IEEE/ICC, pp. 1-6, Cape Town, South Africa, May 2010 (doi: 10.1109­/IC­C.2­010.5502358).

[21] J. Faiz, M. Ebrahimi-Salari, G. Shahgholian, "Reduction of cogging force in linear permanent magnet generators", IEEE Trans. on Magnetics, vol. 40, no. 1, pp.123-134, Jan. 2010 (doi: 10.1109/TMAG.2009.2­02­7900).