Благодаря новой методике, разработка патч-антенн для разнообразных применений теперь занимает всего несколько часов вместо недель. Использование этой технологии значительно ускорит и удешевит изготовление антенн для Wi-Fi и мобильных телефонов , спутников и дронов. Результаты работы представлены в виде доклада на 67 -й конференции МФТИ.
Патч-антенна представляет собой тонкую и легкую конструкцию, часто применяемую в небольших устройствах, таких как мобильные телефоны, планшеты, спутники и беспилотные летательные аппараты. Она состоит из металлической пластины, размещенной на диэлектрической основе.
Настройка размеров и формы компонентов антенны (прямоугольных элементов, окружностей, зазоров) представляет собой непростую задачу, требующую учета электромагнитных свойств. Для достижения оптимального баланса исследователи проводят большое количество математических расчетов, которые могут занимать недели. Это задерживает выпуск патч-антенн и увеличивает их стоимость.
В большинстве случаев для решения подобных задач используют стохастические алгоритмы. Они находят оптимальное решение, методом проб и ошибок, последовательно улучшая подходы. Некоторые из них моделируют природные процессы, например, генетические алгоритмы, в которых наиболее эффективные решения «выживают» и передают свои характеристики».
Ученые из МФТИ разработали новый алгоритм, который позволяет решать данную задачу в сотни раз быстрее. Вместо использования стандартных форм для вычислений, он создает оптимальную форму, применяя бинарное кодирование и суррогатную оптимизацию.
Вместо непрерывных и затратных вычислений, метод использует «тренировочную модель» – упрощенную версию основной задачи. Она экономит время, непрерывно находя потенциально эффективные решения и проверяя их с помощью расчетов в настоящей модели. Благодаря этому, с каждым циклом, точность модели повышается, а качество решений улучшается.
«Вместо того чтобы сразу определять сложную конфигурацию, наш алгоритм изначально создает единую металлическую пластину (1), после чего последовательно вырезает в ней прямоугольные области (о) и анализирует, как каждое изменение сказывается на характеристиках антенны. Это позволяет значительно уменьшить вычислительные затраты, поскольку оптимизируется лишь ограниченное количество параметров на каждом этапе, а не вся структура целиком », — рассказал Максим Артюшкин – техник, работающий в отделе прикладных исследований и разработок перспективных решений сотовой связи МФТИ.
Метод был проверен исследователями с использованием программ FEKO и pSeven на примере трех различных типов антенн. В результате вычислений была определена топология простой патч-антенны, работающей на частоте 10 ГГц, что потребовало 109 итераций оптимизации. Топология двухдиапазонной антенны была рассчитана за 586 итераций, а всенаправленной антенны на 1.9 ГГц — за 99 итераций. Следует отметить, что традиционные подходы к проектированию антенн подобных конструкций обычно требуют гораздо большего количества итераций — порядка тысяч.
Новая методика успешно применяется при создании антенн различного назначения: от домашних Wi-Fi роутеров до сложных систем для беспилотных летательных аппаратов и спутниковой связи. Она отличается высокой скоростью разработки, надежностью и доступной стоимостью.
Это позволяет ему значительно отличаться от других предложенных вариантов и способствует прогрессу российских беспроводных технологий.