关键词:
智能超表面设计
微波网络
神经网络
优化算法
摘要:
智能超表面是由亚波长尺度金属/介质谐振单元构成的可编程电磁材料,其能够调控电磁波幅度、相位和极化的能力,是新一代移动通信的关键技术。然而,传统的智能超表面设计方法严重依赖研究人员或工程师的经验,利用全波电磁仿真的反复迭代,导致设计周期冗长且计算资源消耗巨大。随着智能超表面结构复杂度的不断提升,如何突破设计效率的瓶颈,已经成为该领域亟待解决的关键问题。
为解决以上问题,近年来多种等效电路理论和机器学习技术被用于设计智能超表面结构。其中,等效电路模型通过电路参数计算智能超表面的电磁特性,将麦克斯韦方程组求解问题转化为电路分析的问题,虽然能够提升智能超表面的设计效率,但难以快速设计复杂的智能超表面结构。另一方面,基于机器学习的智能超表面设计方法,建立结构参数与电磁响应的非线性关系,为降低智能超表面优化设计提供了有效的路径,但是仍面临神经网络训练依赖海量数据、电磁仿真软件耦合度高等挑战。
针对以上问题,本文提出一种融合神经网络与微波网络的智能超表面设计方法。首先,研究融合微波网络和神经网络的智能超表面反射系数建模方法,并利用双层智能超表面优化框架,快速获取满足设计要求的智能超表面单元。其次,基于本文提出的融合微波网络和神经网络的方法,快速设计了一款三比特相位调制超表面。最后,利用该方法,快速设计一款三比特双频相位调制超表面。主要研究内容如下:
(1)研究了融合神经网络和微波网络的智能超表面快速设计方法,首先,利用神经网络构建智能超表面结构参数与二端口网络的关系模型,融合微波网络理论建立智能超表面单元的反射系数模型。其次,基于融合神经网络和微波网络理论的智能超表面反射系数模型,利用双层智能超表面优化框架,实现智能超表面无源结构与有源器件的参数优化,第一层采用启发式算法优化无源结构参数,第二层通过梯度算法优化有源器件参数。该方法在设计的过程中,减少了全波仿真的应用次数,提高了智能超表面单元的设计效率。
(2)设计了一款三比特相位调制智能超表面。首先,在神经网络建模方面,采用了3层感知机神经网络,输入层为智能超表面的结构参数,输入层神经元个数为6个,隐藏层的神经元数量是30,输出层输出的是智能超表面阻抗参数,其神经元是数量为201。其次,当建模精度达到要求时,该神经网络模型与微波网络模型结合建立智能超表面反射系数模型,进一步优化获得满足三比特相位状态的智能超表面单元,整个优化过程仅耗时30分钟,远小于基于全波仿真的设计方法。最后,基于该单元构建出16×16的智能超表面阵列,并对其进行加工和验证。实验测量表明,阵列能够实现波束15°和30°的偏转,验证了该方法在智能超表面设计中的有效性与可靠性。
(3)设计了一款双频三比特相位调制智能超表面,能够实时切换工作频率。首先,在网络模型建模方面,构建物理驱动的神经网络,输入层的输入是智能超表面的几何参数,输入层有10个神经元,隐藏层由两层构成,每层的神经元数量是12个,输出层有201个神经元,其输出的是智能超表面的S参数。其次,融合人工神经网络和微波网络的构建快速分析的反射系数模型。当建模精度达到要求时,利用两层优化框架获得能够在3.3GHz和4.0GHz实现三比特相位调控的智能超表面单元且反射系数幅度小于3d B。最后,利用超表面单元组阵,仿真结果表明,3.3GHz和4.0GHz都实现了15°的波束偏转。