Как в сотни раз ускорить создание антенн для телефонов и wi-fi, придумали в МФТИ

Новый метод сокращает процесс проектирования патч-антенн для различных задач с недель до нескольких часов. Внедрение технологии в разы ускорит и удешевит производство антенн для Wi-Fi, телефонов, спутников и дронов. Результаты работы представлены в виде доклада на 67-й конференции МФТИ.

Источник фото: пресс-служба МФТИ

Патч-антенна — это тонкая легкая антенна, которая широко используется в компактных устройствах: мобильных телефонах, планшетах, спутниках и беспилотных летательных аппаратах. По сути, это металлическая пластина на диэлектрической подложке.

Оптимизация геометрических параметров элементов антенны (прямоугольников, окружностей, зазоров) — сложный процесс, требующий баланса между электромагнитными характеристиками. Чтобы его найти, ученые проводят тысячи математических итераций на протяжении нескольких недель. Это замедляет процесс производства патч-антенн и повышает итоговую стоимость.

Обычно для этого применяют стохастические алгоритмы. Они ищут оптимальное решение методом проб и ошибок, постепенно находя всё более удачные подходы. Многие из них буквально копируют природные процессы, например, генетические алгоритмы, где лучшие решения «выживают» и передают свои «гены».

Новый алгоритм ученых МФТИ решает эту задачу в сотни раз быстрее. Он использует не «удобные» для расчета фигуры, а сам «придумывает» необходимую форму, используя бинарное кодирование и суррогатную оптимизацию.

Так, вместо постоянных дорогостоящих вычислений метод использует «тренировочную модель» — упрощенный двойник основной задачи. Экономя время, она постоянно ищет перспективные решения, а когда находит, проверяет их расчетом в настоящей модели. Так с каждым циклом модель становится точнее, а решения — лучше.

«Вместо того чтобы сразу подбирать сложную конфигурацию, наш алгоритм сначала представляет цельную металлическую пластину (1), а затем последовательно вырезает в ней прямоугольные области (о) и во время этого анализирует, 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», — рассказал Максим Артюшкин, техник отдела прикладных исследований и разработок перспективных решений сотовой связи МФТИ.

Рис. 1. Последовательная оптимизация положения и размеров островков. Сначала подбирается первый островок, затем, при условии наличия первого, подбирается второй, и так далее. Источник: пресс-служба МФТИ

Ученые уже протестировали метод в программах FEKO и pSeven на примерах трех 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. Напомним, что классические методы для проектирования аналогичных антенн требуют тысяч итераций.

Новый метод эффективно адаптируется для проектирования антенн, выполняющих разные задачи: от бытовых Wi-Fi роутеров до сложных решений для БПЛА и спутниковой связи. При этом он сочетает высокую скорость разработки, надежность и низкую стоимость продукта.

Все это выгодно выделяет его среди остальных решений и открывает новые возможности для развития отечественных беспроводных систем.

Источник информации и фото: пресс-служба МФТИ