基于非线性回归与多目标优化算法的3.18 GHz WBAN紧凑型天线设计方法

《Scientific Reports》：Nature-inspired antenna design using hybrid ANN and Bayesian optimization techniques for biomedical applications

　　

摘要

本文提出了一种系统方法，用于设计共振频率为 3.18 GHz 的天线，其阻抗带宽为 3.10–3.285 GHz，位于基于 IEEE 802.15.6 标准的无线体域网络 (WBAN) 研究中使用的超宽带频谱的下边缘。提出的紧凑型天线更适合用于 WBAN 辅助的健康监测和微波生物医学传感应用。天线设计分为两部分进行。第一部分涉及结合相关性分析的非线性回归分析，以实现贴片天线的最终设计。文中展示了针对贴片设计完整 50 个样本的反射系数参数的代理建模，并与其他技术进行了比较。基于非线性回归的代理建模，结合皮尔逊和斯皮尔曼技术的相关性分析，有助于通过选择最具特征性和显著性的设计参数来预测贴片设计结构。第二部分涉及结合优化技术的“人工神经网络 (ANN)"建模过程，以实现“缺陷地结构 (DGS)"的优化设计。优化是通过“非支配排序遗传算法 II (NSGA-II)"、“多目标粒子群优化 (MOPSO)"、“灰狼优化 (GWO)"和“基于高斯过程回归的贝叶斯优化 (BO+GPR)"技术完成的。优化后的天线在 3.18 GHz 共振频率下的尺寸为 \(0.2968 {\lambda}_{0} \text{m}\text{m} \times 0.318 {\lambda}_{0} \text{m}\text{m}\)，制作在 FR-4 基板上。模拟结果与实测结果之间观察到极佳的一致性，这证实了所提出的天线设计系统方法的稳健性，使其适用于生物医学应用。