用于人工智能增强太赫兹光子带隙天线设计的先进LCP和LCP/SiO2聚合物基底

《Journal of Computational Electronics》：Advanced LCP and LCP/SiO2 polymer substrates for AI-enhanced THz photonic band gap antenna design

　　本研究提出了一种工作在0.3太赫兹频段的太赫兹圆微带天线性能增强框架，该框架基于液晶聚合物和液晶聚合物/二氧化硅复合基底，并集成光子带隙结构。通过结合低损耗聚合物介质、周期性排列的圆柱形空气隙光子带隙晶格、石墨烯基导电层以及机器学习辅助的性能预测，所提出的设计解决了传统太赫兹天线配置中带宽、增益和辐射效率之间长期存在的折中问题。在无光子带隙加载的情况下，液晶聚合物/二氧化硅复合材料的有效相对介电常数计算为3.08，所提出的液晶聚合物和液晶聚合物/二氧化硅天线分别表现出19.58吉赫和19.51吉赫的阻抗带宽、4.70分贝和4.69分贝的实际增益，以及约93%的辐射效率。对光子带隙空气隙半径、晶格常数和基底厚度的详细参数分析表明，天线性能与光子带隙几何结构存在强相关性。优化后的液晶聚合物配置实现了72.8吉赫的阻抗带宽、7.21分贝的实际增益和96%的辐射效率，而优化后的液晶聚合物/二氧化硅配置则提供了最高的带宽104.74吉赫和8.12分贝的实际增益，效率为85%。这些结果表明，液晶聚合物/二氧化硅复合材料与优化后的光子带隙结构相结合，能够在保持可接受辐射效率的同时，显著改善带宽和增益的折中关系。为支持快速设计评估，使用计算机仿真技术生成的参数数据训练了四种机器学习模型，即随机森林、支持向量回归、梯度提升回归和线性回归模型，以预测天线性能。这些机器学习模型对带宽和效率提供了高度准确的预测，而对增益和反射系数的预测仍然更具挑战性，因为它们对几何参数具有非线性依赖关系。使用三层人体组织模型进行的体上仿真证实了所考虑的美国联邦通信委员会和国际非电离辐射防护委员会的比吸收率限值合规性。所提出的聚合物复合基底、光子带隙工程、石墨烯基导体和机器学习的组合，为下一代无线和传感应用的紧凑型太赫兹天线的开发和优化提供了一个有前景的框架。