人工智能与物理学相结合进行元天线设计

Josiah02

Ka波段超表面天线凭借其低成本、低剖面设计和优异的波束控制能力，在卫星通信领域展现出巨大潜力。然而，受卫星资源有限和Ka波段大气损耗大等因素制约，这类天线需要实现宽角度波束扫描能力和高天线增益，这给其设计增加了相当大的复杂性。
为了实现多功能、高效率的元天线设计，设计优化将涉及众多参数，大大增加计算资源的使用和优化时间。解决平衡增益、扫描角度等多个优化目标并提高优化速度的关键问题仍然是设计过程中的关键挑战。
为了解决元天线设计的这些挑战，电子科技大学、同济大学和香港城市大学的研究人员进行了广泛的合作。
他们利用自己在元光学领域的长期专业知识，提出了一种基于物理辅助粒子群优化 (PA-PSO) 算法的 Ka 波段元天线设计方法。利用这种方法，他们设计并制造了一个 Ka 波段元天线。这项研究发表在《光电科学》杂志上。
本文提出的天线采用PA-PSO算法进行设计，与传统PSO算法相比，PA-PSO算法中粒子的优化方向由变分法导出的极值条件引导，不仅减少了计算时间，还降低了找到次优设计的可能性。
最终优化结果表明，PA-PSO算法获得的相对强度为94.62806，与传统PSO算法获得的相对强度94.62786相当，但PA-PSO算法的计算成本明显较低，仅需650次迭代即可达到最优状态，而传统PSO算法则需要4100次迭代。
这意味着PA-PSO算法的计算时间不到PSO算法的六分之一。因此，PA-PSO方法可以更有效地引导粒子群，减少计算时间，使其成为解决复杂多变量和多目标优化挑战的重要工具。
基于PA-PSO算法优化的相位分布，该团队设计并制作了焦距为22mm、对角线长度为110mm、厚度仅为1.524mm的六边形元天线样品。
该天线f数仅为0.2，波束扫描角度为±55°，最大增益为21.7 dBi，增益平坦度在4 dB以内。这种创新的六边形元天线具有宽扫描角度、紧凑设计和高传输增益等特点，在卫星通信、雷达系统、5G网络和物联网等众多领域具有巨大的应用潜力。