I nte rna t io na l J o urna l o f   Rec o nfig ura ble a nd   E m be dd e d Sy s t e m s   ( I J R E S)   Vo l.  14 ,   No .   3 ,  N o v e m b er   20 25 ,   p p .   6 2 6 ~ 6 3 7   I SS N:  2089 - 4864 ,  DOI :  1 0 . 1 1 5 9 1 /i j r es . v 1 4 . i 3 . pp 6 2 6 - 637          626       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij r es.ia esco r e. co m   Desig n  a nd   o pti miz a tion  of  ba il - sha ped  m icro str ip pa tch  a ntenna for   m i d - ba nd  5 G   a pplica ti o n using   a  l ig htGB M   m o del       G .   Vij a y a k u m a r i 1 , T .   Anna l a k s h m i 2   1 D e p a r t me n t   o f   El e c t r o n i c s a n d   C o mm u n i c a t i o n s,   N e w   P r i n c e   S h r i   B h a v a n i   C o l l e g e   o f   En g i n e e r i n g   a n d   T e c h n o l o g y ,   C h e n n a i ,   I n d i a   2 D e p a r t me n t   o f   El e c t r o n i c s a n d   C o mm u n i c a t i o n s,   S.   A .   E n g i n e e r i n g   C o l l e g e ,   C h e n n a i ,   I n d i a       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u n   3 ,   2 0 2 5   R ev i s ed   Sep   1 7 ,   2 0 2 5   A cc ep ted   Oct  9 ,   2 0 2 5       T h is  stu d y   su g g e sts  a   b a il - sh a p e d   m icro strip   p a tch   a n ten n a   d e sig n e d   f o r  5 G   a p p li c a ti o n s.  T h is   a n ten n a   m o d e l  o p e ra tes   in   t h e   3 . 4 5   G Hz   w irele ss   c o m m u n ica ti o n   f re q u e n c y   ra n g e ,   w h ich   is  a   c o m p o n e n t   o f   th e   so - c a ll e d   C - b a n d   (3 . 3   t o   4 . 2   G Hz ),   w h ic h   is  w id e l y   u ti li z e d   f o r  m id - b a n d   5 G   d e p lo y m e n ts  a c ro ss   th e   g lo b e .   A n ten n a   siz e   o p ti m iza ti o n   is  a c h iev e d   a t   3 1 × 2 8   m m 2 .   On   th e   p a tch ,   a   slo t  i s  a d d e d   to   e n h a n c e   th e   re tu r n   lo ss   f e a tu re s.  T h e   li g h t  g ra d ien t  b o o stin g   m a c h in e   ( L ig h tG BM )   m o d e l  f o r  p re d ictio n   a c ts   a s  a n   o b jec ti v e   f u n c ti o n   o f   th e   c o n sid e re d   p ira n h a   f o ra g in g   o p ti m iza ti o n   a lg o rit h m   (P F OA )  to   a d ju st  th e   a n ten n a ' s  slo t  d im e n sio n ,   w h ich   w il l  b e   u se d   to   o p ti m ize   th e   slo t  w id th .   In   o r d e r  to   g e t  a  su p e rio r  re tu r n   lo ss   v a lu e   o f  a ro u n d   - 3 9 . 9 0 < - 1 0   d B,   t h e   o p ti m iz a ti o n   a p p r o a c h   th a t  is  p ro v id e d   se e k s  to   a c h iev e   t h e   id e a l  sl o t  le n g th .   T h e   p ro p o se d   d e v ice   e x h ib it s  r e m a rk a b le  ra d iatio n   e f f icie n c y   b y   p a rti a ll y   g ro u n d i n g ,   w it h   a   p e a k   g a in   o f   a ro u n d   2 . 5 3 5   d Bi  a t  3 . 4 5   G Hz .   A   n o v e l  h y b rid   a p p ro a c h   c o m b in e s  t h e   L ig h t G BM   p re d ictio n   m o d e l  w it h   th e   P F OA   to   f in e - tu n e   sl o t  d im e n sio n s,  a c h iev in g   a   su p e rio r   re tu rn   l o ss   o f   - 3 9 . 9 0   d B.   T h e   e x c lu siv it y   o f   th is  e ffo rt  is  th e   in c o rp o ra ti o n   o f   m a c h in e   lea rn i ng   a lg o ri th m s  to   a t tain   sig n if ica n tl y   im p ro v e d   p a ra m e ters .   K ey w o r d s :   5 G  ap p licatio n   B ail - s h ap ed   m icr o s tr ip   p atch   an ten n a   Hig h   g ai n     L i g h t  g r ad ien t  b o o s tin g   m ac h in e   o p ti m izatio n     R etu r n   l o s s   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   G .   Vij ay a k u m ar i     Dep ar t m en t o f   E lectr o n ics a n d   C o m m u n icat io n s   E n g in ee r i n g     Ne w   P r in ce   S h r i B h a v an i  C o ll eg e  o f   E n g i n ee r in g   a n d   T ec h n o lo g y   C h e n n ai,   I n d ia   E m ail:  v ar s is e n @ g m ai l . co m       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e  5 G   tech n o lo g y   is   i n   h ig h   d em a n d   in   th e  in d u s tr y   o f   w ir ele s s   co m m u n icat io n   s in c e  it  o f f er s   p r ev io u s l y   u n h ea r d - o f   co n n ec tiv it y   a n d   in cr ed ib l y   r ap id   d a ta  tr an s f er   s p ee d s   [ 1 ] ,   [ 2 ] .   5 G  tech n o lo g y   u s e s   lo w - late n c y   an d   h i g h   r atio   f r eq u en cies  to   co n n ec t  to   n u m er o u s   d ev ices  s i m u lta n eo u s l y   [ 3 ] .   T h is   co m m u n icatio n   also   i m p r o v e s   th e  r eliab ilit y   an d   co n s is te n c y   o f   co n n ec tio n s   in   cr o w d ed   u r b an   en v ir o n m e n ts .   P atch   an te n n a s '   co m p ac t  s ize,   lo w   p r o f ile,   ea s e  o f   in te g r ati o n ,   an d   m u ltib a n d   ad ap tab ilit y   h a v e  m ad e  th e m   m o r e  s i g n i f ican t  in   m o d er n   wir eless   co m m u n icat io n   s y s te m s   [ 4 ] .   A s   a  r esu lt,  a  p atch   an ten n a  is   cr ea ted   o n   a  d ie lectr ic  s u b s tr ate  th at  h a s   s ev er al  ad v an ta g es  d u e  to   its   d esig n .   P atc h   an te n n a s '  lo w   co s t,  ea s e  o f   m an u f ac t u r e,   an d   ad ap tab ilit y   w i th   a  v ar iet y   o f   f o r m   f ac to r s   ar e  s o m e  o f   t h eir   m ain   ad v a n tag e s .   T h is   m a k es   th ese  an ten n as  a n   ex ce lle n t  c h o ice  f o r   u s e  in   w ir e le s s   s y s t e m s ,   in ter n et  o f   t h in g s   ( I o T )   d ev ices,  an d   o th er   s m al l  elec t r o n ic  d ev ice s   [ 5 ] .   A l s o ,   5 G  n et w o r k s   w i ll  h a v e  to   m ee t  a  n u m b er   o f   p er f o r m an ce   r eq u ir e m e n t s ,   in cl u d in g   ac cu r ate  f r eq u e n c y   b an d   co v er ag e,   h ig h   g ai n ,   an d   i m p r o v ed   r ad iatio n   ef f ic ien c y .   I n   o r d er   to   ac h iev e   th o s e   r eq u ir e m e n t s ,   a  p r io r   an ten n a  ar r a n g e m e n t   h ad   t o   o v er co m e  s o m e  o b s tacle s .   Fi n d in g   a n   an ten n a  w it h   i m p r o v ed   r etu r n   lo s s   b eh av io u r   at  a  g iv e n   r eso n an t  f r eq u e n c y   r eq u ir es  b o th   o p tim al  d i m e n s io n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t     I SS N:   2089 - 4864       Desig n   a n d   o p timiz a tio n   o f b a il - s h a p ed   micro s tr ip   p a tch   a n ten n a   fo r   mid - b a n d   5 G   …   ( G .   V ija ya ku ma r i )   627   v alu e s   a n d   i m p r o v ed   r es u lt s .   On   t h e  o th er   h a n d ,   p atch   an te n n a s   p o s e  s o m e  ch a llen g es   s i n ce   t h er e  ex i s ts   n o   s y s te m a tic  p r o ce s s   o r   p r ec is e   m at h e m atica l  f o r m u las   th a t   g u ar a n tee   p r ec is e  s o lu tio n s   [ 6 ] .   T h is   tec h n iq u e  co v er s   m ac h in e  lear n in g   ( M L )   an d   m o d el  o f   o p ti m izatio n   m o d el s   f o r   i m p le m en tin g   an te n n a  d esi g n ,   th u s   to   attain   e f f ec tiv e  a n d   o p ti m u m   s o lu tio n s   [ 7 ] ,  [ 8 ] .   Fu r th er m o r e,   th is   i n   t u r n   e n ab les  f in e - t u n in g   th e  p ar a m e ter s   o f   an ten n a ,   t h u s   attai n in g   o p ti m a l  p er f o r m a n ce   m etr ics  w h ich   co u ld   b e  co m p licated   in   attai n in g   o v er   tr ad itio n al   d esig n   iter atio n .     T r a d itio n al  m icr o s tr ip   p atch   a n ten n a s   f o r   th e  ap p licatio n   o f   5 G  m ig h t   b e  h u g e  an d   th u s   le s s   s u itab le  f o r   in teg r ati n g   th e m   w it h   co m p ac t  d ev ices  [ 9 ] .   Fu r th er m o r e,   c o n v en tio n al  d esi g n   m et h o d s   m a y   r el y   o n   lab o r io u s   h u m an   o r   s e m i - a u to m ated   o p ti m izatio n   tech n iq u e s .   W ith o u t  t h e  s o p h is tica ted   o p ti m izatio n   s c h e m e,   it  m a y   b e  i m p o s s ib le  to   ac h iev e  id ea l  p er f o r m a n ce   m etr ic s   lik e  r etu r n   lo s s   an d   g ai n ,   w h ic h   co u ld   lead   to   d elay ed   d esi g n s .   I n   o r d er   to   co n s tr u ct  a n   o p ti m u m   p at ch   an te n n a,   th is   s tu d y   u s es   an   M L - d ep en d e n t   m et a h eu r i s tic  o p ti m izatio n   m o d el.   I n   o r d er   to   d eter m i n e  th e  id ea l  s lo t  l en g th   f o r   th e  p r o p o s ed   p atch   an ten n a   an d   i m p r o v e  r et u r n   lo s s   v alu es  at  3 . 4 5   GHz   ( u s u all y   3 . 3   to   4 . 2   GHz ) ,   a  tr ain ed   lig h t   g r ad ien t  b o o s ti n g   m ac h in e  ( L i g h t GB M)   m o d el  w il l  b e  u s ed   alo n g   w it h   th e  o b j ec tiv e  f u n ctio n   o f   th e  pr o p o s ed   p ir an h a  f o r ag i n g   o p tim izatio n   al g o r ith m   ( P FO A ) .       2.   L I T E R AT U RE   R E VI E W   Go n zá lez   et  a l.   [ 10 ]   d escr ib e d   d esig n ,   i m p le m en tatio n ,   s i m u latio n ,   a n d   ex p er i m en tal   r esu lt s ,   an d   i m p le m en ta tio n   o f   a  w id e  b a n d w id t h   s lo tted   p la n ar   m icr o s tr ip   p atch   an ten n a  t h at  s p an s   f r o m   3 . 1   GHz   to   4 . 2   GHz .   T h is   w o r k   w as  a p p lied   to   th e  in itial  tr ial s   alo n g   w ith   t h e  in tr o d u c tio n   o f   5 G  s er v ice s .  T h e  an ten n a  t h a t   is   b ein g   s h o w n   h as  a  h ig h   b an d w id t h   o f   3 2 %  an d   a  h i g h er   p o lar izatio n   p u r it y .   Fo r   t h e  u s e   o f   5 G,   R a m a s a m y   et  a l.   [ 11 ]   d em o n s tr ated   a  p atch   an te n n a  o n   F R 4   s u b s tr ate.   T h e  r ec o m m e n d ed   an te n n a  o p er ates  in   5 G  n 3 4   b an d s ,   W L A N   at  5 . 2 GHz ,   an d   W i - m a x   at  5 . 5 GHz .     R a m a s a m y   et  a l.  [1 1 ]   co n s tr u cted   a  n e w   m illi m eter - w a v e  an ten n a  ar r a y   t h at  o p er ates  at  a  in cid en c e   o f   2 8   GHz   f o r   th e  5 G  m o b ile  co m m u n icatio n   s y s te m .   T h is   p atch   an te n n a  h a s   b ee n   r eb u il t   an d   f ea t u r es t w o   U - s h ap ed   s lo ts   ca r v e d   in to   th e  R T   R o g er s   5 8 8 0   s u b s tr ate.   W ith   an   i m p r o v ed   g ai n   o f   1 2   d B ,   th e  an ten n a  d esig n   th at  is   b ein g   s h o w n   ac h ie v es  a  r ad iatio n   ef f icac y   o f   al m o s t   9 3 %.  T h e  au th o r   o f   th e  p ap er   in tr o d u ce d   a  2 8   GHz   m icr o s t r ip   p atch   an te n n a   w i th   a  r ec ta n g u lar   s lo t   [ 1 2 ] ,   [1 3 ] .   A n   a n ten n a  w i th   a  h ei g h t   o f   0 . 4   m m   w ill  b e  m an u f ac t u r ed   o n   a  R o g er s   R t - d u r o id   s u b s tr ate.   A cc o r d in g   to   an   in v esti g atio n ,   th e  g ap - in te g r ated   f ee d in g   m o d el  w a s   th e  b est  f it,  s a tis f y i n g   t h e  r eq u ir e m en t s   f o r   t h eir   u s e  in   5 G   [ 1 4 ] ,   [1 5 ].   A   p er f o r m a n ce   o f   m icr o s tr ip   p atch   an ten n a  f o r   v ar ied   s u b s tr ates  w a s   esti m ated   in   th e  wo r k   [ 1 6 ] – [1 8 ] .   A   d ee p   lear n in g   aid ed   o p ti m izatio n   s tr ateg y   d esi g n   was  p r o p o s ed   f o r   im p r o v i n g   t h e   p er f o r m a n ce   o f   th e   an ten n a.   A  d u al - b an d   u ltr a - th i n   a n ten n a  ap p r o p r iate  f o r   5 G  ap p licatio n s   w il l  b e  d esi g n ed .   A   p r ese n ted   m o d e l   o f   an   a n te n n a   o cc u p ies  a n   ar ea   30 × 30   mm² ,   h a v i n g   a  th ic k n e s s   o f   ab o u t  0 . 8   m m .   T h is   2 8   GHz   m icr o s tr ip   p atch   an te n n a  is   s m all,   m ea s u r in g   6 . 2 × 7 . 2   m m ,   an d   i s   i n ten d ed   f o r   u s e  w i t h   5 G  n et w o r k s .   A   d esi g n ed   an ten n a  attai n s   a  r et u r n   lo s s   o f   ab o u t  - 2 6 . 4 0   d B   w it h   a  b an d w id t h   o f   1 . 1 0 2   GHz .   T h is   in   tu r n   attai n s   a  g a i n   v alu e  o f   7 . 4   d B   w it h   a n   ex ce llen t  v o ltag e  s tan d i n g   w av e  r atio   ( VS WR )   o f   ab o u t  1 . 1 0 2   f o r   th e  ce ll u lar   5 G  ap p licatio n .   Def e ct iv e   g r o u n d   s tr u ct u r e  ( DGS)   r e f er s   to   th e  t ec h n iq u e  o f   co n tr o lli n g   elec tr o m a g n etic  w av e s   i n   an   an te n n a  b y   in tr o d u cin g   i n te n tio n al  d e f ec ts   o r   d is tu r b a n ce s   in   th e  g r o u n d   p lan e   [ 1 9 ] .     A l f a k h r iet  e t  al .   [ 20 ]   p r esen ted   a  co m p a ct,   s i m p le  MI MO   a n ten n a  t h at   f u n ct io n s   at  UW B   f r eq u en c y   b an d .   T h e  s u g g ested   an te n n a   h as  f o u r   co m p o n e n ts ,   an d   t h e  r ad iato r s '   s h ap e  is   d er iv ed   f r o m   a  n u m b er   o f   ad j u s t m e n ts   m ad e  to   a  tr ad itio n al  r ec tan g u lar   p atch   an te n n a.   A   f r ac tio n al  b an d w id th   o f   1 1 2 %  s p an n i n g   f r o m   3 . 1   GHz   to   1 1   GHz   w as  ac h i ev ed ,   w it h   a  r ef lectio n   co ef f ic ien t  b elo w   - 1 0   d B   an d   m u tu al   co u p lin g   b et w ee n   an ten n a  ele m e n ts   m ai n tai n ed   b elo w   - 2 0   d B .   A   lo w er   a n te n n a  s ize  an d   i m p r o v ed   p er f o r m a n ce   m etr ics i n d icate   t h at   th e  s u g g es t e d   a n t en n a   m ay   f i n d   u t il i ty   in   a  r a n g e  o f   U W B   a p p l i c a ti o n s ,   in c lu d in g   p o r t a b l e   h an d h e l d   d e v i c es .     A   n o n - u n i f o r m   m eta s u r f ac e  cir cu lar l y   p o lar ized   p atch   an ten n a  d esi g n   w as  p r o p o s ed   b y   Z e n g   et  a l.   [ 21 ]   u s in g   a  r ea l  m u lt i   o b j ec tiv e  B a y esia n   o p ti m izat io n   ( MO B O)   m o d el.   An   o p ti m ize d   m o d el  attain s   an   o p er atin g   b an d w id th   o f   ab o u t  2 5 . 6 %  ( 3 . 7 5   to   4 . 8 5   GHz ) ,   h av in g   | 11 |   <   − 10    ,   w it h   a n   ax ial  r atio   lo w e r   th an   3   d B   w it h   a  m a x i m al  r ea lized   g ain   o f   7 . 1 5   d B i.   A   b etter   ag r ee m en t  b et w ee n   m ea s u r e m e n t  an d   s i m u lat io n   o u tco m es   v alid ates   o p tim iza tio n   m o d el.     W an g   et  a l.   [ 22 ]   s u g g e s ted   A   w ea r ab le  d u al - b an d   p lan ar   i n v er ted - F   a n ten n a  ( P I FA ) .   I n   o r d er   t o   ac h iev e  w ir e  b an d   an d   d u al  b an d   f ea t u r es,  a  d esig n   m a k es  u s e  o f   s lo t s   at  th e  r ad iatin g   p late  w it h   a  g r o u n d   p lan e.   T h e  p r o to ty p e  w i ll  b e  b u ilt  a n d   m ea s u r ed   to   co n f ir m   th e  d esi g n ,   an d   it  w ill  i n co r p o r ate  t w o   o p er atin g   b an d s   o f   th e  ap p licatio n   lo n g   r an g e  ( L o R a ) ,   w h ic h   ar e  4 3 3   MH z  an d   8 6 8   MH z.   W ith   a  m ax i m u m   g a in   o f   r o u g h l y   1 . 2 5   d B i,  a  p r o p o s ed   d ev ice  o f f er s   a  to tal  r ad iatio n   ef f icac y   o f   r o u g h l y   7 0 % a cr o s s   o p er atin g   b an d s .     A   n o v el  tr ee - s h ap ed   Me ta m at er ial  m icr o s tr ip   an te n n a  w as  i n t r o d u ce d   b y   C h r is t y d a s s   et  a l.   [2 3 ] .   A  s u g g e s ted   m o d el  s tr u ct u r e  m e asu r es  a   r esis ti v it y   b a n d w id th   o f   4 5 . 3 9 %  w it h   s p lit - r i n g   r eso n ato r   ( SR R )   an d   5 3 . 4 8 %  w it h o u t  S R R .   T h e  r ec o m m e n d ed   an te n n a  w o u ld   s at is f y   t h e  p r i m ar y   n ee d s   o f   co n t e m p o r ar y   w ir e les s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4864   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t ,   Vo l.  14 ,   No .   3 ,  No v e m b er   2 0 2 5 :  626 - 637   628   d ev ices,  in c l u d in g   m u l tib an d   o p er atio n ,   s m all  m ag n it u d e,   h ig h   b an d w id t h ,   an d   t w o - d i m en s io n a l  s tr u ct u r e.   T h e   p r esen ted   m o d el  h a s   s u f f i cien t i m p ed a n ce   m a tch i n g   w it h   s m all  a n d   w id er   b an d w id th .   Sev er al  w o r k s   h av e  e x p lo r ed   an ten n a s   f o r   th e  co m m u n ica ti o n   o f   5 G;  h o w e v er ,   th e y   m i g h t  en co u n ter   s o m e  c h alle n g e s   li k e  h u g e  d i m e n s io n s ,   lo w   b an d w id t h   i m p ed a n ce ,   o r   lo w   g ai n   t h at  in   t u r n   a f f ec ts   th e   w ir ele s s   co m m u n icatio n   q u ali t y   [ 2 4 ] ,  [ 2 5 ] .   Mo r e  r esear ch   is   n ee d ed   to   im p r o v e   h ig h er   s p e ed   tr an s m i s s io n   o f   d ata  ab ilit y .   T h is   s u g g es ted   de s ig n   s ee k s   to   o p ti m ize  an   a n ten n a  s p ec if ical l y   tai lo r ed   f o r   ce llu lar   w ir eles s   co m m u n icatio n   ap p licatio n s .   u s i n g   M L   tech n iq u es,  w it h   a  f o cu s   o n   m ax i m izin g   g ai n s   a n d   d ec r ea s in g   r et u r n   lo s s .       3.   M E T H O D   T h e  B ail - s h ap ed   m icr o s tr ip   p atch   an te n n a  co n ce p t  th at  h a s   b ee n   s u g g e s ted   is   s h o w n   i n   F ig u r e  1 .   Fig u r e   2   d is p lay   t h e  s ize  o f   th e  an ten n a   w h er e  Fi g u r e  2 ( a)   s h o w s   th e  d i m en s io n s   o f   th e  a n ten n a  ( f r o n t  v ie w ) ,   an d   Fi g u r e  2 ( b )   s h o w s   t h e  b a ck   v ie w   o f   t h e  a n ten n a .   T h is   i s   th e n   m ad e  u p   o f   t h e  g r o u n d i n g   la y er ,   s u b s tr ate,   an d   r ad iatin g   la y er s .   T h e  R o g er s   A D  4 5 0   ( lo s s y )   s u b s tr ate  w il l  h a v e  a  s u g g es ted   an ten n a   in s talled   o n   it.  T h e  s u b s tr ate 's  d ielec tr ic  co n s tan t  is   1 0 . 2   at  a  th ic k n e s s   o f   1   m m .   5 G  co m m u n icatio n   s y s te m s   ar e  b est  s u ited   f o r   p atch   an te n n as  w i th   b etter   p er m i tti v it y   a n d   lo w er   tan g en t  d ielec tr ic  lo s s   b ec a u s e  o f   th eir   i n cr ea s ed   d ep en d ab ilit y   an d   ef f icien c y .   A d d itio n al l y ,   th e  s u b s tr ate 's  th er m al  s tab il it y   h as  b ee n   en h an ce d .   A s   a  r esu lt ,   th e y   r etain   th e ir   elec tr ical  c h ar ac ter is tics   ac r o s s   a  b r o ad   te m p er atu r e  r an g e.   A l s o ,   s u b s tr ate  o f f er s   b etter   m ec h a n ical  s tr en g t h ,   t h u s   m a k in g   t h e m   s u itab le  f o r   th e  d esig n   o f   co m p lex   c ir cu it s   t h a t   m i g h t  i n v o l v e   i n   f le x in g   o r   b en d i n g .   T h e  p atc h   a n ten n a ’ s   to p   s u r f ac e  co m p r is es  o f   s i n g le   s lo t  l in e  h a v in g   a  t h ic k n e s s   o f     0 . 3 6   m m   f o r   e n ab lin g   B ail - s h ap ed   o p er atio n s .   T h e  p r o p o s ed   an te n n a  is   d esi g n ed   w it h   a  p ar tiall y   g r o u n d   tech n iq u e  to   i m p r o v e  th e   w id e r   b an d w id t h   a n d   to   tailo r   t h e  g ain   a n d   d ir ec tiv i t y .   Als o ,   t h is   t ec h n iq u e  s u p p o r ts   s ig n al  tr an s m is s io n   e f f icie n c y   b y   r ed u ci n g   r etu r n   lo s s   S1 1 .           Fig u r e  1 .   B ail - s h ap ed   m icr o s tr ip   p atch   an ten n a  s tr u ct u r e           ( a)   ( b )     Fig u r e  2 .   T h e  s tr u ctu r e  an d   s iz e  o f   th e  p r o p o s ed   p atch   an ten n a  w it h   ( a)   f r o n t  v ie w   s h o w i n g   th e  an te n n a  d i m en s io n s ,   an d   ( b )   b ac k   v ie w  o f   th e  an ten n a       T h e  in ten d ed   f r eq u en ci e s   f o r   th r ee   o p er atin g   b a n d s   ca n   b e  cr ea ted   b y   c u tti n g   a  2 . 5   m m   lo n g   s lo t  in   a  r ad iatin g   p atc h .   3   GHz ,   4   G H z,   an d   4 . 2   GHz   w ill  b e  r ea c h e d   w it h   a  r et u r n   lo s s   v al u e  o f   r o u g h l y   - 3 9 . 9 0 < - 1 0   d B ,   r esp ec tiv el y .   T h is   i m p r o v es  th e  tr a n s m is s io n   e f f icien c y   an d   m a k es  i t  ap p r o p r iate   f o r   co n te m p o r ar y   co m p ac t  w ir ele s s   co m m u n icat io n .   T ab le  1   s h o w s   t h e  p r o j ec t ed   an ten n a ' s   d i m e n s io n s .   T h e  o p tim a l  s lo t  len g t h   to   en h a n ce   t h ese  r et u r n   lo s s   v alu e s   i s   f o u n d   u s in g   a n   o p tim izatio n - b ased   m et h o d   in   co m b in at i o n   w i th   th e   L i g h tGB M  m o d el.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t     I SS N:   2089 - 4864       Desig n   a n d   o p timiz a tio n   o f b a il - s h a p ed   micro s tr ip   p a tch   a n ten n a   fo r   mid - b a n d   5 G   …   ( G .   V ija ya ku ma r i )   629   T ab le  1 .   Dim e n s io n   o f   a n ten n a   P a r a m e t e r   V a l u e   ( mm )   P a t c h   l e n g t h   ( A )   16   P a t c h   w i d t h   ( B )   18   S u b s t r a t e   w i d t h   ( L )   31   S u b s t r a t e   l e n g t h   ( W )   29   D i a me t e r   o f   s l o t   ( R )   4   W i d t h   o f   f e e d   l i n e   ( F 1 )   0 . 7 5   L e n g t h   o f   f e e d   l i n e ( W 1 )   2 . 8   G r o u n d   w i d t h   ( G 1 )   31   G r o u n d   l e n g t h   ( G 2 )   8       3 . 1 .    M o del dev elo p m ent   o f   pira nh a   f o ra g ing   o ptim iza t io n a lg o rit h m - l ig htG B M   T h is   p o r tio n   d is cu s s es  in s p ir atio n   an d   m at h e m a tical  m o d elin g   o f   P ir an h a  f o r ag i n g   o p ti m izat io n   p r o ce d u r e :       = [         11 12 13 … 1 21 22 23 … 2 ⋯ ( − 1 ) 1 1 ⋯ ( − 1 ) 2 2 … ( − 1 ) 3 3 … … … … ( − 1 )  ]           ( 1 )     = [ 1 2 …  ]   s ig n i f ies  p o s itio n   v ec to r s ,   w h i ch   s i g n if ie s   p ir an h as.    A cc o r d in g l y ,   a  P FOA   id en t if i es  th r ee   p atter n s :  h u n t in g   an d   s ca v en g i n g   f o r a g e,   clu s ter   at tack ,   an d   li m ited   g r o u p in g   attac k .   Ke y   s ta g es  i n cl u d e  in it ializ i n g   an d   ev al u ati n g   t h e  p o p u lat io n ,   th e n   u p d ati n g   p ar am eter s   an d   ag e n t p o s itio n s .   T h e  p o p u latio n   s et  is   ex p r es s ed   as:   −   Step   1 :  i n itializatio n   o f   p o p u l atio n :   i n itiate  t h e  p o s itio n   v e cto r s   f o r   ea ch   in d i v id u al  i n   t h e  p o p u latio n   o f   p ir an h a  as p er   th e  f o llo w in g   ( 2 ) .     =  + 1 × (  −  )   ( 2 )     I n   th is ,     s ig n i f ie s   ith   lo ca tio n   o f   in d iv id u al   p ir an h a  ca n d id ate  s o lu tio n ,      an d      d en o tes  u p p er   an d   lo w er   b o u n d ar ies o f   p ir an h a  h ab itat sear ch ,   co r r esp o n d in g l y .     1   d en o tes r an d o m   n u m b er   a m o n g   0   a n d   1 .    −   Step   2 :  d ef in e  t h e  p ar a m eter   F  f o r   p r ed atio n   in ten s it y :  t y p i ca ll y ,   P ir an h a s   ar e  s en s iti v e  tr e m en d o u s l y   to p   b lo o d   r ec o g n itio n ,   a  f ea t u r e  wh ich   is   i n f l u en ce d   b y   co n ce n tr atio n   o f   b lo o d   F i   an d   d i   d is ta n ce   a m o n g   p r e y   an d   p ir an h a s .   P ir a n h a s   m o s tl y   s w i m   o v er   t h e  ar ea s   o f   h i g h er   b lo o d   co n ce n tr atio n ,   f aste n s   t h eir   m o v e m en t,  th e  h i g h er   th e  co n ce n tr atio n   o f   b lo o d ,   an d   v ice  v er s a,   [2 6 ]   th u s   y ield in g   f o llo w in g   ( 3 ) - ( 5 ) .     = 2 × 4 2   ( 3 )     = −   ( 4 )     = [ ( ) − + 1 ( ) ] 2   ( 5 )     Her e,   β2   is   a   r an d o m   v al u e  b et w ee n   0   a n d   1 ,   Fi  i s   t h e  p r ed atio n   in te n s it y   p ar a m eter   f o r   lo ca tio n   w it h   in d iv id u al  p ir an h a,   Z   i s   th e  s o u r ce   in te n s i t y ,   a n d   Z i  is   t h e  p er ce iv ed   s o u r ce   in te n s it y   f r o m   ith   s ea r c h   ag e n t   th at  w ill  alter   i n   r ea l   ti m e  as   ag en t s   co n ti n u e  to   f o llo w .   Di  is   th e  d is ta n ce   ( b est  s o lu t io n )   b et w ee n   th e   p o s itio n   o f   th e  i n d i v id u al  p ir a n h a  a n d   th e  p r e y .   −   Step   3 :  s tr ateg ie s   fo r   n o n - lin e ar   p ar am etr ic  co n tr o l:   n on - li n ea r   p ar am etr ic  co n tr o l  m et h o d s   h elp   s m o o th l y   b alan ce   ex p lo r atio n   an d   ex p lo itatio n .   T h e y   ar e  ef f ec ti v e  f o r   h an d li n g   ch a n g in g   r an d o m   p r o ce s s es  an d   h elp   av o id   ea r l y   co n v er g en ce   o f   th e  p o p u latio n .   I n   th e  ea r l y   a n d   m id d le   s tag e s   o f   t h e  P FO A   alg o r ith m ,   h ig h  v alu e s   o f   S   allo w   s ea r ch   a g e n ts   to   ex p lo r e  th e   g lo b al  s ea r ch   s p ac e  a n d   av o id   g etti n g   t r ap p ed   in   lo ca l   o p tim a  u s in g   a u d it - b ased   s tr ateg ies.  I n   co n tr ast,  later   p h ase s   o f   t h is   P FO A   co u ld   co n v er g e  q u ic k l y   w it h   ch an g es i n   S,  as  ( 6 )   illu s tr ates   ( 6 ) .     = . [ 2 ⊗ (  _ ) ] 4   ( 6 )     Her e,   C   is   th e  co n f ir m ed   co n s ta n t  ( u s u all y   ta k en   to   b e  5 ) ,   an d   th e  m a x i m u m   n u m b er   o f   iter atio n s   is   in d icate d   b y    _  ,  ⊗   w h ic h   s i g n i f i es  th e  v alu e  o f   th e  p r o d u ct  an d   v a r iab le.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4864   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t ,   Vo l.  14 ,   No .   3 ,  No v e m b er   2 0 2 5 :  626 - 637   630   −   Step   4 :  t h e   r ev er s e   escap e  s ea r ch   m eth o d :   h er e,   t h e  4 - p o p u l atio n   s ea r c h   i s   r ed ir ec ted   u s in g   f la g   E   a n d   th e   r ev er s e  escap e  s ea r c h   tec h n i q u e.   T h is   d r iv es  t h e  e x a m i n atio n   to   a  n e w   s ite   an d   f u r t h er   en h a n ce s   t h e   s o lu tio n   b y   p r ev en ti n g   th e  c an d id ate  p o p u latio n   f r o m   b e co m in g   ca u g h t  in   t h e  lo ca l  a r ea .   B ec au s e  it  h ap p en s   m o r e  f r eq u e n tl y   d u r i n g   t h e  s ea r ch   p r o ce s s ,   s ea r ch   ag en ts   h a v e  m o r e  o p p o r tu n ities   to   ca r ef u ll y   an d   th o r o u g h l y   ex a m i n e  t h e  s e ar ch   r eg io n ,   as il lu s tr ated   in   ( 7 ) .   = { 1 3 ≤ 0 . 5 − 1 3 > 0 . 5   ( 7 )     I n   th i s   β 3   s i g n i f ies  r a n dom   n umb e r   a m o n g   0   an d   1 .   −   Step   5 : P r o x y   f o r m u la  lo ca tio n   u p d ate   i)   A   p atter n   o f   l i m ited   g r o u p   attac k s :   L i k e  a  g r o u p   o f   f o r ag i n g   a n i m als,  th i s   o n e  m a y   attac k   p r e y   s ev er al  ti m e s   h ig h er   th a n   it s el f   w h e n   it  is   h u n g r y .   A   s p la s h   o f   w ater   is   cr ea ted   w h e n   a  p r e y   en ter s   th e  en v ir o n m e n t,  an d   t h e  p ir an h a  ar e  aler ted   to   th e   s ig n al.   T h e  ag e n t  n ea r est  to   th e  p r ey   a ttack s   f ir s t  a s   t h e y   q u i ck l y   ass e m b le  to   e n cir cle  a n d   b ite  th e  v icti m .   A  m at h e m a tical  m o d el   o f   a   lo ca l ized   g r o u p   attac k i n g   p atter n   will b e  s h o w n   i n   ( 8 ) .      ( + 1 ) = 1 ∑ ( ) − ( )  − ( )  = 1   ( 8 )     Her e,   p c  s tan d s   f o r   r an d o m l y   g en er ated   i n teg er s   in   Sear ch Ag en t s _ n o.   Sear ch Ag e n t s _ n o   is   th e  to tal  n u m b er   o f   ag en t s ,   x i ( t+1 )   is   th e  n e w   s e ar ch in g   ag e n t  lo ca tio n ,   an d   Lk   ( t )   is   th e  a m o u n t  o f   lo ca l  p o p u l atio n   f r ac tio n   attac k s   th a t  ar e  ac h iev ed   f o r   th e  i n itia l  i m itati n g   attac k ,   wh er e  L   ∈   X ,  an d   X   is   th e   n u m b er   o f   r an d o m l y   g en er ated   p ir an h as.  W h er ea s   x prey ( t)   r ep r esen ts   t h e  lo ca tio n   o f   th e  b est  a g e n t  d is co v er ed   in   a  p r io r   iter ati o n ,   x i ( t)   in d icate s   t h e  lo ca tio n   o f   t h e  cu r r e n t  a g en t.  A  r an d o m   n u m b er ,   γ 1 ,   is   e v en l y   s ca tter ed   b et w ee n   [ −2 , 2 ]   an d   h as   a  s u b s ta n tial   i n f lu e n ce   on   ch an g i n g   t h e  p ir an h as '   tr aj ec to r y .   ii)  A   b lo o d th ir s t y   clu s ter   attac k   p atter n   P ir an h as  u s u all y   h av e   a  u n iq u e  s e n s iti v it y   f o r   b lo o d ,   ar e  ac u tel y   a w ar e  o f   t h e  b lo o d ' s   s ce n t,  an d   ca n   d etec t  w h e n   th eir   p r e y   is   in j u r ed   o r   b leed in g .   A s   a  r esu lt,  d is tan t  p ir an h as  ar e  d r a w n   to   th e  ar ea   o f   h ig h   b lo o d   co n ce n tr atio n   an d   b eg in   attac k in g   th e m   v io len tl y .   I t  ca n   s w i m   m o r e  q u ick l y   i f   its   b lo o d   co n ce n tr atio n   is   h ig h er .   T h e  n o n - li n ea r   co s i n e  f ac to r ,   o r   S,  w h ich   is   in f l u e n c ed   b y   E ,   b lo o d   co n ce n tr atio n   Fi,  an d   t h e  d i s ta n ce   b et w ee n   p ir an h as  a n d   th eir   p r ey ,   is   t h e  m ai n   d eter m in a n t   o f   th is   p h ase.   A lter i n g   t h e  m o v e m e n t  o f   p ir an h a   d ir ec tio n   co u ld   av o id   lo ca l  o p t i m a  ef f ec ti v el y ,   th u s   en ab li n g   th e m   to   id en ti f y   b etter   lo ca tio n   o f   p r ey   as  s h o wn   in   ( 9 ) .     ( + 1 ) = 1 ∗ 2 ∗ ( ) + ∗ ( ) + ∗ + ∗ 4 ∗ ∗   ( 9 )     Her e,   ( + 1 )   is   a  s ea r ch   ag e n t  o f   n e w   l oc a tion ,  ( )   r ese m b les  b est  ag e n t ’ s   lo ca tio n   id en ti f ied   i n   p r ev io u s   i ter atio n ,   1   d en o tes  r a n d o m   n u m b er   t h at  ar e  d is tr ib u ted   u n i f o r m l y 6   at  [ −1 /2 , 1 /2 ]   an d   4   s ig n i f ies  r a n dom   n umb e r   am o n g   0   an d   1 .   G  s ig n if ie s   p ir an h a 's  ca p ac it y   f o r   f o r ag i n g ,   an d   it  is   an   in te g er   G> 5   ( in   th is   ca s e,   G  =  9 ) .   1 ∗ 2   s h o w s   t h e  unif or m   dispe r s ion   th u s   letti n g   ac ti v e  alter atio n s   a n d   tr a de − offs   a m o n g   lo ca l sear ch   &   g lo b al  s e a r c h   ab ilit ies .   ( iii)  Scav en g i n g   f o r ag i n g   p atte r n s   Du e  to   th eir   p o o r   v i s io n ,   p ir an h a s   s w i m   er r atica ll y   to   th e ir   h ab itat  at  n i g h t  to   f ee d   o n   s ee d s   an d   ca r r io n ,   an d   th e y   s ca tter   f r o m   a  g r o u p   d u r in g   f o r ag e  in   m u d d y   w ater s h ed s .   Vec to r   an al y s i s   m o d ellin g   is   d o n e   b y   ( 10 ) .      ( + 1 ) = 1 2 [ 2 ∗ 1 ( ) − ∗ ( ) ]   ( 10 )     I n   th is ,   ( + 1 )   s ig n i f ie s   s ea r c h   ag en ts ’   n e w   p o s itio n ,   2   d en o tes   a  r an d o m   n u m b er   t h at  is   d is tr ib u ted   u n i f o r m l y   b et w ee n   [ −1 , 1 ] ,     d en o tes  t h e  p ar a m eter   w h ic h   a lter s   th e  m o v e m e n t  d ir ec tio n ,   1 ( )   in d icate s   r an d o m l y   s elec ted   clo s e s t  ag e n t  p o s i tio n   f r o m   p ir an h as,  ( )   in d icate s   i th   p o s itio n   o f   t h e  ag en t   s elec ted   ar b itra r ily   a m o n g   ag e n t s ,   an d   C 1 ≠ i.   ( iv )   Su r v iv a l stra te g y   o f   P ir an h a  p o p u latio n   P ir an h as  a n d   t h eir   v ar io u s   n at u r al  p r ed ato r s   h av e   a  r ep r o d u ctiv e  tr ait   th a t  r estrict s   t h e  e x p an s io n   o f  its   p o p u latio n .   In   ( 11 ) ,   it   is   u s ed   to   d eter m i n e  t h e  ag e n t 's  s u r v i v al  r ate  ( S R )   i n   o r d er   to   m ai n tai n   p o p u latio n   v ar iet y .   T h e  o f f s p r i n g   p o p u l atio n   w i ll  b e  r ep licated   o n ce   th e  SR   f all s   b elo w   1 /4 ,   in d icatin g   a  d ec r ea s e d   s u r v iv al  r ate  u s i n g   ( 12 ) .      ( ) =  − ( )  −    ( 11 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t     I SS N:   2089 - 4864       Desig n   a n d   o p timiz a tio n   o f b a il - s h a p ed   micro s tr ip   p a tch   a n ten n a   fo r   mid - b a n d   5 G   …   ( G .   V ija ya ku ma r i )   631   ( + 1 ) = ( ) + 1 2 { [ 1 ( ) − ∗ 2 ( ) ] − [ 2 ( ) − ∗ 3 ( ) ] }   ( 12 )     I n   th is ,   ( + 1 )   d ep icts   n e w er   p o s i tio n   o f   t h e  s ea r ch i n g   ag e n t,  ( )   r ese m b les  t h e  b est  a g e n t   p o s itio n   id en t if ied   in   p r ev io u s   iter atio n ,   E   in d icate s   p ar a m eter   to   ch a n g e  d ir ec tio n   a n d   1 ( ) ,   2 ( ) ,   an d   3 ( ) ,  s ig n i f y   ag e n t  p o s itio n s   C 1 ,   C 2 ,   an d   C 3   s e lecte d   r an d o m l y   f r o m   p ir an h as  w it h   v al u e s   C 1 ≠ C 2 ≠ C 3   co r r esp o n d in g .   T h e  P FO A   f lo w c h ar t  i s   r ev ea led   i n   Fig u r e  3 .   T h is   ap p r o ac h   s er v es  a s   a n   e f f ec tiv e   m e th o d   f o r   id en ti f y i n g   o p ti m u m   v al u es ,   th u s   f ac ilit ati n g   an   e f f ec ti v e   s ea r ch   f o r   o p ti m al  s o lu t io n s   at  v ar ied   p r o b lem   d o m ai n s .     3 . 2 .    L ig htG B M   m o del   L i g h tGB M ,   a  f r a m e w o r k   o f   g r ad ien t  b o o s ti n g ,   m i g h t  b e  e m p lo y ed   i n   o p ti m izi n g   t h e  d esig n s   o f   an ten n a s .   T h eir   s ca lab ilit y   a n d   ef f icie n c y   f o r   h u g e  d ataset s   m ak e   th e m   s u itab le  f o r   t as k s   s u c h   as  p r ed ictin g   th e  p er f o r m a n ce   o f   an   an te n n a  o r   th e  p ar am eter s   o f   o p ti m iz atio n .   T h is   co u ld   b e  em p lo y ed   in   tr ain i n g   m o d el s   th at   p r ed ict   t h e  p er f o r m a n ce   o f   a n ten n as   d ep en d in g   o n   th e  d esi g n   p ar a m eter s ,   th u s   allo w i n g   t h e m   f o r   ef f ec tiv e  d es ig n   s p ac e  ex p lo r atio n .   L i g h tGB M  w ill  b e   k n o w n   f o r   its   h i g h er   ac cu r ac y ,   t h u s   m a k i n g   th e m   a   r eliab le  o p tio n   f o r   th e  o p tim i za tio n   o f   an te n n a  p er f o r m a n c e.   T h is   iter ativ e   p r o ce s s   in cl u d es  lo s s   f u n ctio n   m i n i m izatio n   o n   ad d in g   n e w er   m o d els ,   w h ic h   co u ld   co m p le m en t d ef icie n cie s   o f   tr ad itio n a l sch e m es.   A   p r o j ec tin g   m o d el  b ased   o n   L i g h tGB M  w as  es tab lis h ed   to   ca lcu late  r et u r n   lo s s   v a lu e s   f o r   th e  s lo t   r ad iu s   ( R )   o f   a  p r o j ec te d   an ten n a  at  r eso n a n ce   f r eq u e n cie s   o f   3 . 4 5   GHz .   P FOA   e m p l o y s   th e  L ig h tGB M   m o d el  a s   it s   g o al  f u n ctio n   to   d ete r m i n e  t h e  o p ti m a l  r etu r n   lo s s   p ar a m eter s .   3   r etu r n   lo s s   y ie ld s   th a t   co r r esp o n d   to   th e  d esig n ated   f r eq u en c y   ar e  p r o d u ce d   b y   th e   L ig h tGB M  m o d el  u s i n g   th e  s lo t  r ad iu s   as  in p u t.   I n   es s en ce ,   f o r   a  g i v en   r ad i u s   R ,   th e  m o d el  p r ed icts   r et u r n   lo s s   v alu e s .   T h e  P FO A - L ig h tGB M  al g o r ith m ' s   co n s ec u tiv e  p h ase s   ar e  s h o w n   in   Fi g u r e   4 .  I n   t h is   ap p r o ac h ,   L i g h tGB M ’ s   r et u r n   lo s s   p r ed ictio n s   s er v e   as  th e   f it n es s   f u n ctio n   in   th e  P FO A.   Du r in g   b o th   ex p lo r atio n   an d   ex p lo itatio n ,   L ig h tGB M  p r ed ictio n s   g u id e  th e   s elec tio n   o f   b etter   ca n d id ate  s o lu tio n s   f o r   s lo t  r ad iu s .   T h e   f it n es s   f u n ctio n   ev al u ate s   h o w   w e ll  a  p a r ticu lar   r ad iu s   en h an ce s   r etu r n   lo s s   at  th e  d esire d   f r eq u e n cies .           Fig u r e  3 .   F lo w c h ar t o f   P FO A +lig h tGB M  m o d el           Fig u r e  4 .   S1 1   p lo t f o r   p r o p o s ed   an ten n a   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4864   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t ,   Vo l.  14 ,   No .   3 ,  No v e m b er   2 0 2 5 :  626 - 637   632   4.   RE SU L T S   T h is   s ec tio n   d eli v er s   th e  r es u lts   esti m ated   f o r   th e  p r o p o s e d  b ail - s h ap ed   m icr o s tr ip   an te n n a  d esig n .  Fig u r e  4   s h o w s   t h e  S - p ar a m et er   ( S1 1 )   m ag n it u d e  r esp o n s e  o f   th e  d ev ice  o v er   a  f r eq u en cy   r an g e  th at  r an g e s   f r o m   1   GHz   to   1 2   GHz .   T h e  S1 1   p ar am eter ,   p lo tted   in   r ed ,   s ig n i f ies  th e  in p u t  r ef lec tio n   co ef f ic ien t  in   d B .   T h e   clea r   r eso n an ce   is   o b s er v ed   ap p r o x i m atel y   at  3 . 4 2   GHz   at  w h ic h   S1 1   m ag n it u d e  r ea ch es  a  m i n i m al  v a lu e   o f   - 3 9 . 9   d B ,   th u s   i n d icati n g   e x ce llen t  m atc h i n g   a n d   m in i m al  r ef lectio n   at  th i s   f r eq u en c y .   A   d ee p   n u ll s u g g e s t s   th at  th e  d ev ice  is   w ell  m atc h ed   at  3 . 4 2   GHz ,   th u s   m a k i n g   it   an   id ea l  o p er atin g   f r eq u e n c y   f o r   th e  an te n n a.   B ey o n d   r eso n a n ce ,   S1 1   v al u e  in cr ea s es   w it h   n o tab le  v ar iati o n   o v er   a  f r eq u e n c y   r a n g e ,   th u s   i n d icati n g   v ar ie d   i m p ed an ce   m atch in g   p er f o r m a n ce   at  v ar ied   f r eq u e n cie s .   Fig u r e  5   is   t h e  p o w er   d is tr ib u t io n   o v er   v ar ied   ca teg o r ies  a s   a   f u n ctio n   o f   f r eq u e n c y   t h at  r a n g e s   f r o m   1   GHz   to   1 2   GHz .   A   lo s s   in   d ielec tr ics,  lo s s   in   m etals,  p o w er   ab s o r b ed   at   all  p o r ts ,   p o w er   ac ce p ted ,   o u tg o in g   p o w er   at  p o r ts ,   an d   s i m u lated   p o w er   ar e  esti m ated   an d   ar e   s h o w n   in   v ar ied   c o lo r s .   T h e  p lo t  s h o w s   th a t  th e   d ev ice  ex h ib its   m ax i m u m   r ad ia tio n   ef f icie n c y   ar o u n d   3 . 4   G Hz ,   co r r elatin g   w it h   s tr o n g   im p ed a n ce   as  s h o wn   in   S1 1   p lo t.  T h e  lo s s es r e m a in   m in i m a l o v er   all  m ater ia ls ,   th u s   e m p h a s izin g   e f f ec tiv e  d es i g n .   Fig u r e  6   s h o w s   a  p o lar   r ep r es en tatio n   o f   t h e  f ar - f ie ld   elec tr ic  f ield   r ad iatio n   p atter n   in   th e  E - p lan e.   ( P h i=9 0 ° )   at  f r eq u en cie s   6 ( a)   3   GHz,   6 ( b )   4   GHz ,   an d   6 ( c)   4 . 2   GHz   co r r esp o n d in g l y .   E le ctr ic  f ield   s tr e n g th   o f   th e  m ai n   lo b e  in   d ec ib els  r elativ e  to   1   V/ m .   1 7 . 2   d B ( V/ m ) ≈ 6 . 4 8   V/m   ( l i n ea r   s ca le) .   T h is   is   ad eq u ate  f o r   t y p ical  li n e - of - s i g h t  ( L O S)  5 G  ap p licatio n s ,   esp ec iall y   i n   u r b an   o r   s u b u r b an   s ce n ar io s .   T h e  m ai n   b ea m   is   d ir ec ted   at  1 7 6   d eg r ee s   in   th e   az i m u t h   p lan e,   n ea r l y   d u e  s o u th .   Dir ec tio n alit y   is   es s en t ial   f o r   b ea m f o r m i n g ,   s ec to r i ze d   co v er ag e,   an d   s p atial  r eu s e  i n   5 G.   A   b ea m w id t h   o f   9 0 . 5 °  is   r elativ el y   w id e,   in d icatin g   a  b r o ad   co v er ag e  ar ea .   T h is   o u tco m e   co n f ir m s   co n s is te n t  f ar - f ield   p er f o r m an ce   an d   d ir ec tio n a li t y   o v er   3 - 4 . 2   GHz   r an g e  h av i n g   s li g h t e n h a n ce m en t in   t h e  r ad iated   s tr en g t h   at  4 . 2   GHz.           Fig u r e  5 .   P o w er   esti m ated   r ep r esen tatio n   in   W             ( a)   ( b )   ( c)     Fig u r e  6 .   E - f ield : ( a)   3   Gh z,   ( b )   4   Gh z,   an d   ( c)   4 . 2   Gh z       Fig u r e   7   s h o w s   th e  3 D  r ad iatio n   p atter n   ( d ir ec tiv it y )   at  3   GHz ,  Fig u r e   7 ( a)   th u s   s h o w i n g   t h e   d ir ec tiv it y   d is tr ib u t io n   o f   th e  f ar - f ie ld   elec tr ic  f ie ld .   T h e  r ad i atio n   p atter n   i s   n ea r l y   o m n id ir ec tio n al  i n   t h e  P h i   p lan e  w ith   clea r   s y m m etr y   ar o u n d   th e  Z   a x is .   T h e  s tr u ct u r e  r ad iates  m o r e  ef f icien tl y   h o r izo n tall y   i n   ( th e ta  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t     I SS N:   2089 - 4864       Desig n   a n d   o p timiz a tio n   o f b a il - s h a p ed   micro s tr ip   p a tch   a n ten n a   fo r   mid - b a n d   5 G   …   ( G .   V ija ya ku ma r i )   633   p lan e) ,   t y p ical  o f   d ip o le - li k e   an ten n a s .   I t   i n d icate s   a  m o d er at el y   d ir ec ti v e  a n ten n a  h a v in g   g o o d   ef f icie n c y   a t   w h ic h   m o s t  o f   th e  p o w er   is   r ad iated   in   th e  h o r izo n tal  p la n e.   Fig u r e   7 ( b )   s h o w s   th e  3 D  r ad iatio n   p atter n   ( d ir ec tiv it y )   at  4   GHz ,   th u s   s h o w in g   t h e  d ir ec tiv it y   d i s tr ib u tio n   o f   t h e  f ar - f ield   e lectr ic  f ield .   T h e  r ad iatio n   p atter n   is   b r o ad l y   o m n id ir ec t io n al  i n   th e  h o r izo n tal  th eta  p lan e  w it h   clea r   s y m m e tr y   a r o u n d   Z   a x i s ,   th u s   r ese m b li n g   a  d o u g h n u t - s h ap e d   p atter n .   T h e  an ten n a  ex h ib i ts   ef f icien t  r ad iatio n   h av i n g   m o d er ate  d ir ec tiv it y ,   th u s   m ain tain i n g   w id e  an g u lar   co v er ag e.   Fig u r e  7 ( c)   s h o w s   th e   3 D  r ad iatio n   p atter n   ( d ir ec tiv it y )   a t   4 . 2   GHz ,   th u s   s h o w i n g   th e   d ir ec tiv it y   d is tr ib u tio n   o f   t h e  f ar - f ield   elec tr ic   f ield .   T h e  r ad iatio n   p at ter n   is   b r o ad ly   o m n id ir ec tio n al  in   th e  h o r izo n ta l   th eta  p lan e  w i th   cl ea r   s y m m e tr y   ar o u n d   th e  Z   a x is ,   t h u s   r ese m b li n g   a  co n s is ten t  d o u g h n u t - s h ap ed   p atter n .     A t  t h i s   r an g e,   th e  a n ten n a  co n ti n u e s   to   d eliv er   ef f ec ti v e  p er f o r m an ce   w i th   s tab le  r ad iatio n   ch ar ac ter is t ics.   Fig u r e  8   is   th e  es ti m atio n   o f   VS WR   p lo t  as  a  f u n ct io n   o f   f r eq u en c y ,   w h ic h   is   a  k e y   m e tr ic  to   esti m ate  t h e   i m p ed an ce   o f   t h e  a n te n n a   o v er   a  f r eq u e n c y   r an g e.   T h is   p lo t  co n f ir m s   t h at  t h e  a n te n n a   i s   o p ti m ized   f o r   t h e   f u n ctio n   n ea r   3   GHz ,   ali g n in g   w ell  w i th   t h e  r ad iatio n   p att er n   o u tco m e  a ttai n ed   as  s h o w n   b ef o r e.   Fi g u r e  9   d is p la y s   t h e  Z - p ar a m eter   ( i m p ed an ce )   m ag n it u d e  p lo t  o f   t h e  an ten n a  s y s te m   o v er   t h e  f r eq u en c y   r an g e  o f   1   GHz   to   1 2   GHz .   T h e  p lo t  co n f ir m s   t h at  t h e  a n te n n a   d esi g n   o r   s y s te m   is   m atc h ed   o p ti m all y   ar o u n d   3   GHz ,   an d   is   5 0   o h m .   Fig u r e  10   s h o w s   t h e  m ax i m u m   g ai n   est i m a tio n   o v er   f r eq u e n c y ,   a  p er f o r m an ce   i n d icato r   o f   an ten n a  e f f icie n c y   an d   d ir ec t io n alit y   o v er   a  b r o ad   f r eq u e n c y   r an g e  ( 1   GHz   to   1 2   GHz ) .   An   o p ti m al  g ain   p er f o r m a n ce   is   attai n ed   f r o m   3   GH z   as  2 . 5   d B ,   4   GHZ   ( 2 . 5   d B ) ,   4 . 2   GH z   (2 . 8   d B ) ,   an d   a  m ax i m u m   o f   5 . 4   d B   g ain   at  8   GHz.           ( a)   ( b )         ( c)     Fig u r e  7 .   Dir ec tiv it y   at   ( a)   3 GHz ,   ( b )   4   GHz ,   an d   ( c)   4 . 2   GH z             Fig u r e  8.   VSW R   esti m atio n     Fig u r e  9.   E s ti m at io n   o f   i m p ed an ce   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4864   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t ,   Vo l.  14 ,   No .   3 ,  No v e m b er   2 0 2 5 :  626 - 637   634       Fig u r e  1 0 .   Gain   v s   f r eq u e n c y   e s ti m atio n   p lo t       5.   DIS CU SS I O N   Fig u r e  1 1   s h o w s   a  f ab r icate d   b ail - s h ap ed   p atch   an te n n a.   Fi g u r e  1 2   s h o w s   an   a n ten n a  co n n ec ted   w it h   VN A   to   m ea s u r e  t h e  an te n n a  p ar am eter s .   Fig u r e   1 3   d is p lay s   a  g r ap h   titl ed   " s im u lated   v s   m ea s u r ed , "   p lo ttin g   th e  S1 1   p ar am eter   ( in   d B )   o f   an   an te n n a  ag a in s t  f r eq u e n c y   ( in   GHz ) .   T h e  g r ap h   s h o w s   t w o   cu r v e s :  a  s o lid   b lu e  lin e  r ep r esen ts   th e  s i m u l ated   S1 1 ,   w h ile  a  d ash ed   r ed   lin e  d en o tes  th e  m ea s u r ed   S1 1 .   T h e  m ea s u r ed   r esu lt s   ( r ed   d ash ed   lin e)   g en er all y   f o llo w   t h e  tr en d   o f   th e  s i m u lated   r esu lt s ,   s h o w i n g   a  s ig n i f ican t  d ip   in   S1 1   ar o u n d   3 . 7   GHz ,   r ea ch in g   a  v alu e  o f   r o u g h l y   - 3 8   d B .   T h is   in d icate s   t h at  t h e  f ab r icate d   an ten n a ' s   r eso n an t  f r eq u en c y   i s   clo s el y   r elate d   to   h i g h er   co m p ar ed   to   t h e  s i m u l atio n .  T h e  s u g g ested   a n te n n a  d esig n   is   co n tr asted   w it h   alter n at iv e  d esi g n   m eth o d o lo g ies  in   T ab le   2 .   T h e  p r o p o s ed   an ten n a  d esi g n   ac h iev e s   a  g ain   o f   2 . 5 3 5   d B i,   o u tp er f o r m i n g   o t h er   m o d els a n d   m i n i m izi n g   p o w er   lo s s .             Fig u r e  11.   Fab r icate d   b ail   b ail - s h ap ed   m icr o s tr ip   p atch   an te n n a     Fig u r e  12.   P r o p o s ed   a n ten n a   co n n ec te d   w it h   VN A   to   m ea s u r e  th e  S1 1   p ar a m eter           Fig u r e  13.   S1 1   p a r am eter s   m e asu r ed   v s   s ti m u lated   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t     I SS N:   2089 - 4864       Desig n   a n d   o p timiz a tio n   o f b a il - s h a p ed   micro s tr ip   p a tch   a n ten n a   fo r   mid - b a n d   5 G   …   ( G .   V ija ya ku ma r i )   635   T ab le  2 .   C o m p ar is o n   o f   p r o p o s ed   an ten n a  d esi g n   R e f e r e n c e s   S i z e   ( mm )   S u b s t r a t e   mat e r i a l   T e c h n i q u e   u se d   O p e r a t i n g   f r e q u e n c y   ( G H Z )   S 1 1   ( d B )   G a i n   ( d B i )   [ 7 ]   4 4 x 1 2   FR - 4   P a r t i a l   g r o u n d   3 . 1 – 4 . 2     < - 10   -   [ 1 7 ]   4 8 × 4 4 × 1 . 6   FR - 4   D e f e c t e d   g r o u n d   st r u c t u re   3 . 1 – 11   < - 20   4 . 7   [ 1 8 ]   1 . 1 2 λ 0 × 0 . 8 6 λ 0   0 . 0 6 9 λ 0   FR - 4   C i r c u l a r l y   p o l a r i z e d   3 . 7 5 – 4 . 8 5   < - 10   7 . 1 5     [ 1 9 ]   0 . 1 2 λ 0 × 0 . 2 5 λ 0   T e x t i l e   P I F A   4 . 3 – 8 . 6 8   < - 10   1 . 2 5   [ 2 0 ]   1 6 × 1 5   FR - 4   P a r t i a l   g r o u n d   5 . 5 – 1 0 . 7 2   - 2 3 . 7 3   - 1 2 . 0 1   1 . 3 5   P r o p o se d   w o r k   2 9 × 3 1 × 1   R o g e r   3 5 0   P a r t i a l   g r o u n d   3 . 4   ( 3 . 0 1 - 4 . 7 )   - 3 9 . 9 0 < - 10   2 . 5 3 5         T ab le   3 ,   b esid es  F ig u r e  14   s h o w s   th e  e v alu at io n   o f   p r ed ictio n   ac cu r ac y   o f   v ar io u s   ex i s ti n g   m o d els   an d   p r o p o s ed   m o d el  e m p lo y e d   f o r   an te n n a   d esig n .   T h e  e x is tin g   m o d el s   li k e  r an d o m   f o r es t,  Gau s s ia n   p r o ce s s   r eg r ess io n ,   n e u r al  n e t w o r k ,   X GB o o s t  ar e  co m p ar ed   w it h   p r o p o s ed   ( P FOA + L i g h t GB M)   m o d el.   T h e  an al y s i s   s h o w s   th e  p r o p o s ed   m o d el  ac h iev e s   h i g h er   p r ed ictio n   ac c u r ac y   ( ab o u t  9 8 . 6 %)  co m p ar ed   t o   ex is ti n g   s c h e m es,  d em o n s tr ati n g   s tr o n g   ca p ab ilit y   i n   a s s es s i n g   ac cu r ac y   ac r o s s   v ar ied   s lo t  w id t h s .   Ho w ev er ,   th e  L i g h t GB M   m o d el  is   m o r e  co m p le x   to   t u n e   an d   le s s   i n t u iti v e  t h a n   o th er   m eth o d s ,   w i th   ch alle n g e s   in   s ca lab ilit y   a n d   s en s iti v it y   f o r   lar g e,   co m p le x   d esig n s .         T ab le  3 .   P er f o r m a n ce   co m p ar i s o n   o f   p r o p o s ed   s ch e m e   Ty p e s o f   mo d e l s   P r e d i c t i o n   a c c u r a c y   [ % ]   R a n d o m fo r e st s   8 9 . 5   G a u ssi a n   p r o c e ss re g r e ssi o n   9 1 . 6   N e u r a l   n e t w o r k s   9 3 . 5   X G   B o o st   9 6 . 4   P r o p o se d   ( P F O A + L i g h t G B M )   9 8 . 6           Fig u r e  1 4 .   P er f o r m an ce   co m p ar is o n   o f   p r ed ictio n   ac cu r ac y       6.   CO NCLU SI O N    A   d esi g n   d ev elo p m en t  a n d   o p ti m izat io n   o f   a  b ail - s h ap ed   m i cr o s tr ip   p atch   an te n n a  w as  es s en tia l  f o r   attain i n g   i m p r o v ed   5 G  w ir el ess   co n n ec tio n   p er f o r m a n ce .   I n   o r d er   to   i m p r o v e  p er f o r m an ce ,   a  n e w   h y b r id   m o d el  b ased   o n   m ac h i n e  lear n in g   an d   m eta h e u r is tic  o p ti m i za tio n   w a s   cr ea ted   in   th is   s t u d y   f o r   co n s tr u cti n g   a  m icr o s tr ip   p atch   a n te n n a.   T h e   p r esen ted   L ig h tGB M  m o d el  is   id en ti f ied   to   b e  t h e  s u itab le   o n e  o n   co m p ar i n g   o th er   ML   m o d els   f o r   p er f o r m an ce   co m p ar is o n .   T h e  an te n n a  d esig n e d   r eso n ate s   at  f r eq u en c y   r a n g e  o f   3 . 4 5   GHz ,   h av i n g   a  r etu r n   lo s s   o f   - 3 9 . 9 0 < - 1 0   d B   co r r esp o n d in g l y .   A   h ig h er   g ai n   v alu e  o f   ab o u t  2 . 5 3 5   d B i  is   attain ed   f o r   p r o p o s ed   d esig n .   T h e  o u tco m e  s i m u lated   s h o w s   a  b etter   o u tco m e  i n   r elatio n   t o   r ad iatio n   p atter n ,   f ield   d is tr ib u t io n ,   VSW R ,   an d   s o   o n .   An   an te n n a  d esi g n e d   is   a  s u itab le  c h o ice  f o r   t h e   ap p licatio n   o f   5 G  tech n o lo g y ,   s p ec if icall y   i n   t h e  ca s e   o f   a  h i g h   g ain   n ee d .   T h e  d ev elo p ed   an ten n a ' s   o u tco m es   ar e  q u it e   s atis f ac to r y   a n d   s u it   q u ite   f in e  w ith   5 G  co m m u n ic atio n .   F u tu r e   w o r k   co u ld   f o c u s   o n   i n teg r ati n g   ad v an ce d   o p tim izatio n   o r   d ee p   lear n i n g   m o d els  to   a u to m ate   an te n n a  d i m en s io n   tu n i n g   an d   r ed u ce   n o is e   f o r   p r ac tical  5 G  c o m m u n ica tio n .       80 85 90 95 1 0 0 Pr e d i c t i o n   A c c u r a c y   ( % ) T y p e s  o f   M o d e l s P r e d i c t i on  ac c u r ac y [ % ] Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.