Исследование S-образной RMSA в S-диапазоне с использованием многослойной перцептронной нейронной сети

Автор(и)

  • Мухаммед Аниш Университет Веер Бахадер Сингх Перванчал, Індія
  • Ашиш Сингх NMAM технологический институт, Індія https://orcid.org/0000-0003-4099-2780
  • К. Камакши Институт изучения менеджмента, Індія
  • Джамшед Аслам Ансари Аллахабадский университет, Індія

DOI:

https://doi.org/10.20535/S002134701908003X

Ключові слова:

искусственная нейросеть, Левенберг-Марквардт, прямоугольная микрополосковая патч-антенна, широкополосная антенна

Анотація

В статье исследовано применение S-образной прямоугольной микрополосковой патч-антенны RMSA (rectangular microstrip patch antenna) в S-диапазоне с помощью искусственной нейросети ANN (artificial neural network). Авторами проведено параметрическое исследование различных излучающих структурных форм для получения S-образной RMSA. Размер вырезов на излучателе для достижения широкополосности в требуемом диапазоне частот вычислен с помощью многослойной искусственной нейронной сети персептрона MLP-ANN (multilayer perceptron artificial neural), которые влияют на ее параметры, такие как рабочая частота, усиление, направленность, эффективность антенны и эффективность излучения. Модель MLP-ANN обучена и протестирована с использованием семи различных алгоритмов. Исследование показало, что алгоритм обучения Левенберга–Марквардта LM (Levenberg–Marquardt) требует меньше вычислительного времени и обладает лучшей точностью для вычисления размера вырезов на излучателе по заранее заданным параметрам антенны. Чтобы проверить работу ANN, прототип S-образной RMSA был физически изготовлен на пенопластовый подложке и экспериментально испытан. Экспериментальные результаты хорошо согласуются с результатами симуляции с помощью ANN.

Посилання

Bahl, I. J.; Bhartia, P. Microstrip Antennas. Dedham, Mass: Artech House, 1980.

Huynh, T. U.; Lee, K.-F. “Single-layer single-patch wideband microstrip antenna,” Electron. Lett., Vol. 31, No. 16, p. 1310, June 1995. DOI: https://doi.org/10.1049/el:19950950.

Rafi, G.; Shafai, L. “Broadband microstrip patch antenna with V-slot,” IEE Proc. Microwave Antenna Propag., Vol. 151, No. 5, p. 435, Nov. 2004. DOI: https://doi.org/10.1049/ip-map:20040846.

Neyestanak, A. A. L.; Kashani, F. H.; Barkeshli, K. “W-shaped enhanced-bandwidth patch antenna for wireless communication,” Wireless Pers. Commun., Vol. 43, No. 4, p. 1257, Dec. 2007. DOI: https://doi.org/10.1007/s11277-007-9299-7.

Pandey, V. K.; Vishwakarma, B. R. “Analysis of an E-shaped patch antenna,” Microwave Opt. Technol. Lett., Vol. 49, No. 1, p. 4, Jan. 2007. DOI: https://doi.org/10.1002/mop.22024.

Ansari, J. A.; Dubey, S. K.; Mishra, A. “Analysis of half E-shaped patch for wideband application,” Microwave Opt. Technol. Lett., Vol. 51, No. 6, p. 1576, June 2009. DOI: https://doi.org/10.1002/mop.24367.

Сингх, А.; Аниш, М.; Камакши, К.; Ансари, Дж. А. “Применение теории цепей для анализа патч-антенны с апертурной связью для беспроводных приложений,” Известия вузов. Радиоэлектроника, Т. 61, № 4, С. 226-238, 2018. DOI: https://doi.org/10.20535/S0021347018040040.

Каур, Прит; Агарвал, С. К.; Де, Асок. “Улучшение характеристик прямоугольной микрополосковой антенны с помощью двойного H-образного метаматериала,” Известия вузов. Радиоэлектроника, Т. 59, № 11, С. 29-36, 2016. DOI: https://doi.org/10.20535/S0021347016110030.

Deshmukh, A. A.; Kumar, G. “Compact broadband S-shaped microstrip antennas,” Electron. Lett., Vol. 42, No. 5, p. 260, Mar. 2006. DOI: https://doi.org/10.1049/el:20064194.

Mishra, R. K.; Patnaik, A. “Neural network-based CAD model for the design of square-patch antennas,” IEEE Trans. Antennas Propag., Vol. 46, No. 12, p. 1890, Dec. 1998. DOI: https://doi.org/10.1109/8.743842.

Guney, K.; Sagiroglu, S.; Erler, M. “Generalized neural method to determine resonant frequencies of various microstrip antennas,” Int. J. RF Microwave Computer-Aided Engineering, Vol. 12, No. 1, p. 131, 2002. DOI: https://doi.org/10.1002/mmce.10006.abs.

Pattnaik, S. S.; Panda, D. C.; Devi, S. “Radiation resistance of coax-feed rectangular microstrip patch antenna with the use of artificial neural networks,” Microwave Opt. Technol. Lett., Vol. 34, No. 1, p. 51, July 2002. DOI: https://doi.org/10.1002/mop.10370.

Pattnaik, S. S.; Panda, D. C.; Devi, S. “Input impedance of rectangular microstrip patch antenna using artificial neural networks,” Microwave Opt. Technol. Lett., Vol. 32, No. 5, p. 381, Mar. 2002. DOI: https://doi.org/10.1002/mop.10184.

Neog, D. K.; Pattnaik, S. S.; Panda, D. C.; Devi, S.; Khuntia, B.; Dutta, M. “Design of a wideband microstrip antenna and the use of artificial neural networks in parameter calculation,” IEEE Antennas Propag. Mag., Vol. 47, No. 3, p. 60, 2005. DOI: https://doi.org/10.1109/map.2005.1532541.

Saikavara, K. “Artificial neural network based design of a three-layered microstrip circular ring antenna with specified multi-frequency operation,” Neural Comput. Appl., Vol. 18, No. 1, p. 57, Jan. 2009. DOI: https://doi.org/10.1007/s00521-007-0153-3.

Washington, G. “Aperture antenna shape prediction by feedforward neural networks,” IEEE Trans. Antennas Propag., Vol. 45, No. 4, p. 683, Apr. 1997. DOI: https://doi.org/10.1109/8.564094.

Akdagli, A.; Toktas, A.; Kayabasi, A.; Develi, I. “An application of artificial neural network to compute the resonant frequency of E-shaped compact microstrip antennas,” J. Electrical Engineering, Vol. 64, No. 5, p. 317, 2013. DOI: https://doi.org/10.2478/jee-2013-0046.

Akdagli, Ali; Biçer, Mustafa Berkan; Ermiş, Seda. “A novel expression for resonant length obtained by using artificial bee colony algorithm in calculating resonant frequency of C-shaped compact microstrip antennas,” Turk. J. Elec. Eng. & Comp. Sci., Vol. 19, No. 4, p. 597, 2011. DOI: http://doi.org/10.3906/elk-1006-466.

Aneesh, M.; Ansari, J. A.; Singh, A.; Kamakshi; Sayeed, S. S. “Analysis of microstrip line feed slot loaded patch antenna using artificial neural network,” PIER B, Vol. 58, p. 35, 2014. DOI: https://doi.org/10.2528/pierb13111105.

Türker, Nurhan; Güneş, Filiz; Yildirim, Tülay. “Artificial neural design of microstrip antennas,” Turk. J. Elec. Eng. & Comp. Sci., Vol. 14, No. 3, p. 445, 2006.

Zhang, Q.-J.; Gupta, K. C.; Devabhaktuni, V. K. “Artificial neural networks for RF and microwave design -from theory to practice,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 51, No. 4, p. 1339, Apr. 2003. DOI: https://doi.org/10.1109/tmtt.2003.809179.

Mishra, R. K.; Patnaik, A. “Designing rectangular patch antenna using the neurospectral method,” IEEE Trans. Antennas Propag., Vol. 51, No. 8, p. 1914, Aug. 2003. DOI: https://doi.org/10.1109/tap.2003.814748.

Watson, P. M.; Gupta, K. C.; Mahajan, R. L. “Development of knowledge based artificial neural network models for microwave components,” IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., Vol. 1, p. 9, 1998. DOI: https://doi.org/10.1109/mwsym.1998.689312.

Guney, K.; Sarikaya, N. “A hybrid method based on combining artificial neural network and fuzzy inference system for simultaneous computation of resonant frequencies of rectangular, circular, and triangular microstrip antennas,” IEEE Trans. Antennas Propag., Vol. 55, No. 3, p. 659, Mar. 2007. DOI: https://doi.org/10.1109/tap.2007.891566.

Wang, Z.; Fang, S.; Wang, Q.; Liu, H. “An ANN-based synthesis model for the single-feed circularly-polarized square microstrip antenna with truncated corners,” IEEE Trans. Antennas Propag., Vol. 60, No. 12, p. 5989, Dec. 2012. DOI: https://doi.org/10.1109/tap.2012.2214195.

Khan, T.; De, A.; Uddin, M. “Prediction of slot-size and inserted air-gap for improving the performance of rectangular microstrip antennas using artificial neural networks,” IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., Vol. 12, p. 1367, Oct. 2013. DOI: https://doi.org/10.1109/lawp.2013.2285381.

Zeland software, Inc. IE3D simulation software, version 14.05 Zeland software, CA, 2008.

Haykin, S. Neural Networks: A Comprehensive Foundation, 3rd ed. Prentice-Hall, 2007.

Higham, D. J.; Higham, N. J. Matlab ANN toolbox MATLAB Guide. Philadelphia: SIAM, 2005.

Sivia, J. S.; Pharwaha, A. P. S.; Kamal, T. S. “Analysis and design of circular fractal antenna using artificial neural networks,” PIER B, Vol. 56, p. 251, 2013. DOI: https://doi.org/10.2528/pierb13091611.

Karaboga, D.; Guney, K.; Sagiroglu, S.; Erler, M. “Neural computation of resonance frequency of electrically thin and thick rectangular microstrip antennas,” IEE Proc. Microwaves Antennas Propag., Vol. 146, No. 2, p. 155, Apr. 1999. DOI: https://doi.org/10.1049/ip-map:19990136.

Hagan, M. T.; Menhaj, M. B. “Training feedforward networks with the Marquardt algorithm,” IEEE Trans. Neural Netw., Vol. 5, No. 6, p. 989, Nov. 1994. DOI: https://doi.org/10.1109/72.329697.

Опубліковано

2019-08-27

Як цитувати

Аниш, М., Сингх, А., Камакши, К., & Ансари, Д. А. (2019). Исследование S-образной RMSA в S-диапазоне с использованием многослойной перцептронной нейронной сети. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 62(8), 479–488. https://doi.org/10.20535/S002134701908003X

Номер

Розділ

Оригінальні статті