Сотрудники Московского физико-технического института разработали метод многократного ускорения проектирования патч-антенн.
Сотрудники Московского физико-технического института разработали метод многократного ускорения проектирования патч-антенн.
Патч-антенна — тонкая лёгкая антенна, металлическая пластина на диэлектрической подложке, которая используется в компактных электронных устройствах, таких как бытовые роутеры Wi-Fi, телефоны и планшеты, системы навигации и мониторинга, беспилотные летательные аппараты и прочее.
По словам Максима Артюшкина, техника отдела прикладных исследований и разработок перспективных решений сотовой связи МФТИ, внедрение новой технологии в разы ускорит и удешевит производство антенн.
Дело в том, что обычная оптимизация геометрических параметров элементов антенны (прямоугольников, окружностей, зазоров) — сложный процесс, требующий баланса между электромагнитными характеристиками. Чтобы его найти, учёные проводят множество математических итераций на протяжении нескольких недель. В поисках оптимального решения применяются и стохастические алгоритмы — метод проб и ошибок. Всё это замедляет процесс производства патч-антенн и повышает итоговую стоимость.
Новый алгоритм учёных МФТИ позволяет проектировать антенны в сотни раз быстрее. Он берёт не «удобные» для расчёта фигуры, а сам «придумывает» необходимую форму, применяя бинарное кодирование и суррогатную оптимизацию. Вместо постоянных дорогостоящих вычислений метод использует «тренировочную модель» — упрощённый двойник основной задачи. Экономя время, она постоянно ищет перспективные решения, а когда находит, проверяет его расчётом в настоящей модели. Так с каждым циклом модель становится точнее, а решения — лучше. Это позволяет ускорить процесс от недель до нескольких часов.
Учёные уже протестировали метод в программах FEKO и pSeven на примерах трёх типов антенн. Им удалось вычислить топологию: простой патч-антенны на 10 ГГц — за 109 итераций оптимизации, двухдиапазонной — за 586 итераций, а всенаправленной на 1,9 ГГц — за 99 итераций. Классические методы для проектирования аналогичных антенн требуют тысяч итераций.
Вместо подбора сложной конфигурации алгоритм сначала представляет цельную металлическую пластину, а затем последовательно вырезает в ней прямоугольные области, одновременно анализируя, как каждое изменение влияет на характеристики всей антенны.
«Такой подход резко снижает вычислительную нагрузку, поскольку на каждом шаге оптимизируется лишь небольшое число параметров, а не вся структура сразу», — пояснил Максим Артюшкин.
Новый метод эффективно адаптируется для проектирования антенн, выполняющих разные задачи. Это открывает новые возможности для развития отечественных беспроводных систем.