《Results in Engineering》：Machine Learning-Assisted Prediction of Scattering Parameters for a Circularly Polarized Dual-Port UWB MIMO Antenna
编辑推荐：
本文推荐一项针对现代天线设计中全波电磁仿真耗时且计算密集问题的研究。作者团队设计了一款紧凑的圆极化(CP)双端口超宽带(UWB)多输入多输出(MIMO)介质谐振器天线(DRA)，采用共享U形介质谐振器与缺陷地结构(DGS)，实现了高达41 dB的端口隔离度，无需额外去耦网络。研究创新性地引入梯度提升回归(GBR)机器学习模型，直接根据仿真数据高效预测天线的散射参数(S参数)，显著加速了设计优化过程。该天线展现出123%的阻抗带宽(2.3-9.8 GHz)和1.9 GHz(6.75-8.65 GHz)的轴比带宽，包络相关系数(ECC)低于0.05，非常适用于高可靠性UWB MIMO系统。此项工作为复杂天线结构的快速性能评估与实时调谐提供了高效解决方案，对推进5G及未来无线通信系统发展具有重要意义。
在现代无线通信技术飞速发展的浪潮中，物联网(IoT)、便携设备、机器对机器(M2M)通信、汽车工业、虚拟现实、视频流和数字传感等先进应用对高速、高数据速率、不间断服务的需求呈爆炸式增长。多输入多输出(MIMO)与超宽带(UWB)技术的结合，为短距离、高速网络提供了卓越的解决方案。UWB技术以其支持更宽带宽、更低功耗和成本效益高的特点备受青睐。然而，UWB系统中的数据通过短脉冲传输，易受多径衰落（由反射和衍射引起）和电磁干扰的影响。而MIMO系统则能有效缓解多径衰落导致的信号衰减。天线是UWB和MIMO技术通信系统的关键元件。MIMO天线通过在空间并行信道上同时传输多个去相关的信号，并保持相同的功率水平。因此，MIMO天线必须具备分集性能，且辐射器之间的包络相关系数(ECC)要低。
传统的天线设计严重依赖迭代的电磁仿真和手动参数调整，过程耗时且计算密集。对于复杂且可重构的多端口天线尤其如此。精确预测散射参数(S参数)对于确保最佳阻抗匹配、最小化互耦以及实现与射频收发系统的高效集成至关重要。为了克服这一挑战，研究人员不断探索各种设计技术来改进UWB-MIMO天线性能，以期实现小型化、更宽带宽和更好的分集特性。介质谐振器天线(DRA)因其采用低损耗介质材料作为主要辐射器，欧姆损耗小，辐射效率高，尤其在较高微波频率下表现优异；同时，其三维结构可支持多种谐振模式，通过适当设计使这些模式在频率上彼此靠近，当模式重叠时，天线自然能实现更宽的阻抗带宽。此外，圆极化(CP)天线相比线极化(LP)天线具有减少多径衰落和信号衰减、取向灵活性、覆盖范围更广等优势。因此，设计同时具备圆极化和宽轴比带宽的MIMO天线具有重要的实际意义。
在此背景下，一项发表在《Results in Engineering》上的研究提出了一种基于机器学习(ML)的方法，特别是梯度提升回归(GBR)模型，来预测天线的S参数，从而显著减少设计时间，并实现无线通信系统中阻抗的高效调谐。该研究展示了一款用于UWB应用的紧凑、圆极化(CP)、双端口MIMO介质谐振器天线(DRA)。
该研究涉及几个关键技术方法：首先，天线设计基于共享U形介质谐振器，由两个微带线馈电，并采用缺陷地结构(DGS)进行去耦。其次，研究通过参数扫描（改变接地板中垂直槽的宽度lc1、水平槽的长度lc、介质谐振器中U形槽的宽度dp和长度dc等几何参数）生成S参数数据集。最后，利用梯度提升回归(GBR)等机器学习算法对数据集进行训练和测试，以建立从几何参数到S参数的预测模型，并使用十折交叉验证等方法评估模型性能。
天线设计与性能结果
设计演进与参数分析：研究通过三个步骤对天线设计过程进行了评估。初始设计（Step1）采用矩形介质 slab 和完整接地板，天线在8.15 GHz、9.52 GHz和10.67 GHz被激发，确认了DR中高阶模式的生成，但阻抗匹配有待优化。在第二步（Step2）中，通过引入接地板缺陷结构，天线获得了超宽带响应（2.3-9.8 GHz），端口隔离度在2.3-7.9 GHz达到15 dB，在7.9-9.8 GHz达到20 dB，并实现了7.2 GHz至8.4 GHz的圆极化。第三步（Step3）将介质谐振器形状修改为U形，以在X波段（7.25 GHz至8.44 GHz）实现圆极化，并通过参数分析优化了U形槽的尺寸（dp和dc），最终将3-dB轴比带宽扩展至1.9 GHz（6.75-8.65 GHz），同时在整个UWB频谱上保持S11低于-15 dB，S21低于-20 dB，表明MIMO配置具有良好的端口隔离。
S参数与机器学习预测：天线实测的阻抗带宽覆盖2.3 GHz至9.8 GHz（123%）。在整个工作带宽内，传输系数(S21)保持在-20 dB以下，在9.2 GHz处峰值耦合为-22 dB，在7.65 GHz处最小耦合为-41 dB，证明了其在UWB频率范围内对MIMO应用的有效性。研究采用梯度提升回归(GBR)模型预测S参数。在4.5 GHz和7.5 GHz两个频点，GBR模型对S11和S21的预测均显示出极高的准确性，R平方(R2)值分别达到0.86/0.99（S11, 4.5/7.5 GHz）和0.88/0.83（S21, 4.5/7.5 GHz），预测误差极低。十折交叉验证结果进一步证实了GBR模型的稳健性和可靠性。
辐射特性与分集性能：天线在E面呈现端射型辐射方向图，在H面呈现偶极子型辐射方向图。端口1的辐射最大方向朝向270°，端口2的辐射最大方向朝向90°，这种相反的相位有助于减少衰落，提高MIMO系统的信道容量。天线的包络相关系数(ECC)在整个频带内低于0.05，分集增益(DG)超过9.6 dB，表明端口间相关性极低，分集性能优异，非常适合MIMO系统。天线在6.75-8.65 GHz频段内实现圆极化，端口1为右旋圆极化(RHCP)，端口2为左旋圆极化(LHCP)，在XZ和YZ平面，主极化分量比交叉极化分量高10-15 dB。
研究结论与意义
本研究成功设计、制作并验证了一款基于共享U形介质谐振器的紧凑型双端口UWB MIMO DRA天线。该天线通过缺陷地结构实现了高端口隔离（高达41 dB），无需外部去耦网络，并获得了宽阻抗带宽（123%）以及1.9 GHz的轴比带宽，表现出良好的辐射性能和低相关性，适用于UWB MIMO系统。更重要的是，研究创新性地将梯度提升回归机器学习模型应用于天线S参数的预测，结果表明该模型能够以极高的精度（R2> 0.83）和极快的速度（相比全波电磁仿真）完成预测任务。这种机器学习辅助的设计方法显著减少了天线设计和优化所需的时间和计算资源，为复杂天线结构的快速性能评估和实时调谐提供了强有力的工具，对推进下一代UWB、5G乃至未来无线通信系统的发展具有重要意义。
