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 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   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 5 G   a p p li c a ti o n s.  T h is   a n ten n a   m o d e 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 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 i 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 g ra d ien b o o stin g   m a c h in e   ( L ig h tG BM )   m o d e f o p re d ictio n   a c ts   a 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 ' slo d im e n sio n ,   w h ich   w il b e   u se d   to   o p ti m ize   th e   slo w id th .   In   o r d e to   g e su p e rio re tu r n   lo ss   v a lu e   o 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 is  p ro v id e d   se e k to   a c h iev e   t h e   id e a sl o le n g th .   T h e   p ro p o se d   d e v ice   e x h ib it 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 3 . 4 5   G Hz .   A   n o v e h y b rid   a p p ro a c h   c o m b in e t h e   L ig h t G BM   p re d ictio n   m o d e w it h   th e   P F OA   to   f in e - tu n e   sl o 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 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 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 g r ad ien 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 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 C o ll eg 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 5 G   tech n o lo g y   is   i n   h ig h   d em a n d   in   th in d u s tr y   o f   w ir ele s s   co m m u n icat io n   s in c 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 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 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 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 s ize,   lo w   p r o f ile,   ea s 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 m ad th e m   m o r s i g n i f ican 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   r esu lt,  p atch   an ten n is   cr ea ted   o n   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 to   its   d esig n .   P atc h   an te n n a s lo w   co s t,  ea s o f   m an u f ac t u r e,   an d   ad ap tab ilit y   w i th   v ar iet y   o f   f o r m   f ac to r s   ar s o m 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 c h o ice  f o r   u s 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 elec t r o n ic  d ev ice s   [ 5 ] .   A l s o ,   5 n et w o r k s   w i ll  h a v to   m ee 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 ,   p r io r   an ten n ar r a n g e m e n t   h ad   t o   o v er co m s o m o b s tacle s .   Fi n d in g   a n   an ten n w it h   i m p r o v ed   r etu r n   lo s s   b eh av io u r   at  g iv e n   r eso n an 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 o th er   h a n d ,   p atch   an te n n a s   p o s s o m ch a llen g es   s i n ce   t h er 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 f o r m u las   th a t   g u ar a n tee   p r ec is s o lu tio n s   [ 6 ] .   T h is   tec h n iq u co v er s   m ac h in 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 d esi g n ,   th u s   to   attain   e f f ec tiv 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 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 p er f o r m a n ce   m etr ics  w h ich   co u ld   b 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 ap p licatio n   o f   5 m ig h t   b h u g 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 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 h s o p h is tica ted   o p ti m izatio n   s c h e m e,   it  m a y   b i m p o s s ib le  to   ac h iev id ea p er f o r m a n ce   m etr ic s   lik 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 th id ea s lo l en g th   f o r   th p r o p o s ed   p atch   an ten n a   an d   i m p r o v 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 ) ,   tr ain ed   lig h t   g r ad ien b o o s ti n g   m ac h in ( L i g h t GB M)   m o d el  w il b u s ed   alo n g   w it h   th o b j ec tiv f u n ctio n   o f   th pr o p o s ed   p ir an h 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 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   w id 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 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 in itial  tr ial s   alo n g   w ith   t h in tr o d u c tio n   o f   5 s er v ice s T h an ten n t h a t   is   b ein g   s h o w n   h as  h ig h   b an d w id t h   o f   3 2 an d   h i g h er   p o lar izatio n   p u r it y .   Fo r   t h 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   p atch   an te n n o n   F R 4   s u b s tr ate.   T h r ec o m m e n d ed   an te n n o p er ates  in   5 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   n e w   m illi m eter - w a v an ten n ar r a y   t h at  o p er ates  at  in cid en c e   o f   2 8   GHz   f o r   th 5 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 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 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 an ten n d esig n   th at  is   b ein g   s h o w n   ac h ie v es  r ad iatio n   ef f icac y   o f   al m o s t   9 3 %.  T h au th o r   o f   th p ap er   in tr o d u ce d   2 8   GHz   m icr o s t r ip   p atch   an te n n a   w i th   r ec ta n g u lar   s lo t   [ 1 2 ] ,   [1 3 ] .   A n   a n ten n w i th   h ei g h t   o f   0 . 4   m m   w ill  b m an u f ac t u r ed   o n   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 g ap - in te g r ated   f ee d in g   m o d el  w a s   th b est  f it,  s a tis f y i n g   t h r eq u ir e m en t s   f o r   t h eir   u s 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 f o r   v ar ied   s u b s tr ates  w a s   esti m ated   in   th 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.   d u al - b an d   u ltr a - th i n   a n ten n ap p r o p r iate  f o r   5 ap p licatio n s   w il b 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   th ic k n e s s   o f   ab o u 0 . 8   m m .   T h is   2 8   GHz   m icr o s tr ip   p atch   an te n n 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 w i t h   5 n et w o r k s .   A   d esi g n ed   an ten n attai n s   r et u r n   lo s s   o f   ab o u - 2 6 . 4 0   d B   w it h   b an d w id t h   o f   1 . 1 0 2   GHz .   T h is   in   tu r n   attai n s   g a i n   v alu o f   7 . 4   d B   w it h   a n   ex ce llen v o ltag s tan d i n g   w av r atio   ( VS WR )   o f   ab o u 1 . 1 0 2   f o r   th ce ll u lar   5 ap p licatio n .   Def e ct iv e   g r o u n d   s tr u ct u r ( DGS)   r e f er s   to   th t ec h n iq u 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 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 g r o u n d   p lan e   [ 1 9 ] .     A l f a k h r iet  e al .   [ 20 ]   p r esen ted   co m p a ct,   s i m p le  MI MO   a n ten n 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 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 r ad iato r s '   s h ap is   d er iv ed   f r o m   n u m b er   o f   ad j u s t m e n ts   m ad to   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   r ef lectio n   co ef f ic ien 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 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 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 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   r a n g 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 cir cu lar l y   p o lar ized   p atch   an ten n 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   r ea m u lt i   o b j ec tiv 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 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   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 b et w ee n   m ea s u r e m e n 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 ( P I FA ) .   I n   o r d er   t o   ac h iev w ir b an d   an d   d u al  b an d   f ea t u r es,  d esig n   m a k es  u s o f   s lo t s   at  th r ad iatin g   p late  w it h   g r o u n d   p lan e.   T h p r o to ty p w i ll  b b u ilt  a n d   m ea s u r ed   to   co n f ir m   th 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 ap p licatio n   lo n g   r an g ( L o R a ) ,   w h ic h   ar 4 3 3   MH an d   8 6 8   MH z.   W ith   m ax i m u m   g a in   o f   r o u g h l y   1 . 2 5   d B i,  p r o p o s ed   d ev ice  o f f er s   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 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 ] .   s u g g e s ted   m o d el  s tr u ct u r 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 S R R .   T h r ec o m m e n d ed   an te n n w o u ld   s at is f y   t h 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 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 x p lo r ed   an ten n a s   f o r   th 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 en co u n ter   s o m c h alle n g e s   li k h u g 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 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 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   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 B ail - s h ap ed   m icr o s tr ip   p atch   an te n n co n ce p 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 1 .   Fig u r e   2   d is p lay   t h s ize  o f   th an ten n a   w h er Fi g u r 2 ( a)   s h o w s   th d i m en s io n s   o f   th a n ten n ( f r o n v ie w ) ,   an d   Fi g u r 2 ( b )   s h o w s   t h b a ck   v ie w   o f   t h a n ten n a .   T h is   i s   th e n   m ad u p   o f   t h 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 R o g er s   A 4 5 0   ( lo s s y )   s u b s tr ate  w il h a v s u g g es ted   an ten n a   in s talled   o n   it.  T h s u b s tr ate 's  d ielec tr ic  co n s tan is   1 0 . 2   at  th ic k n e s s   o f   1   m m .   5 co m m u n icatio n   s y s te m s   ar 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 d ielec tr ic  lo s s   b ec a u s 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 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   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   b r o ad   te m p er atu r 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 d esig n   o f   co m p lex   c ir cu it s   t h a t   m i g h i n v o l v e   i n   f le x in g   o r   b en d i n g .   T h p atc h   a n ten n a s   to p   s u r f ac co m p r is es  o f   s i n g le   s lo l in h a v in g   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 p r o p o s ed   an te n n is   d esi g n ed   w it h   p ar tiall y   g r o u n d   tech n iq u to   i m p r o v th e   w id e r   b an d w id t h   a n d   to   tailo r   t h g ain   a n d   d ir ec tiv i t y .   Als o ,   t h is   t ec h n iq u 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 1 .   B ail - s h ap ed   m icr o s tr ip   p atch   an ten n s tr u ct u r e           ( a)   ( b )     Fig u r 2 .   T h s tr u ctu r an d   s iz o f   th p r o p o s ed   p atch   an ten n w it h   ( a)   f r o n v ie w   s h o w i n g   th an te n n d i m en s io n s ,   an d   ( b )   b ac k   v ie o f   th an ten n a       T h 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 cr ea ted   b y   c u tti n g   2 . 5   m m   lo n g   s lo in   r ad iatin g   p atc h .   3   GHz ,   4   G H z,   an d   4 . 2   GHz   w ill  b r ea c h e d   w it h   r et u r n   lo s s   v al u 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 tr a n s m is s io n   e f f icien c y   an d   m a k es  i ap p r o p r iate   f o r   co n te m p o r ar y   co m p ac w ir ele s s   co m m u n icat io n .   T ab le  1   s h o w s   t h p r o j ec t ed   an ten n a ' s   d i m e n s io n s .   T h o p tim a s lo 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 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 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 ,   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 in it ializ i n g   an d   ev al u ati n g   t h 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 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 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 p o p u latio n   o f   p ir an h as p er   th 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 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 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 t h p ar a m eter   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 s en s iti v tr e m en d o u s l y   to p   b lo o d   r ec o g n itio n ,   f ea t u r 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 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 h i g h er   th 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 b et w ee n   0   a n d   1 ,   Fi  i s   t h 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 s o u r ce   in te n s i t y ,   a n d   Z is   t h 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 as   ag en t s   co n ti n u to   f o llo w .   Di  is   th 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 i n d i v id u al  p ir a n h a n d   th 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 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 ef f ec ti v 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 p o p u latio n .   I n   th ea r l y   a n d   m id d le   s tag e s   o f   t h P FO A   alg o r ith m ,   h ig v alu e s   o f   S   allo w   s ea r ch   a g e n ts   to   ex p lo r th e   g lo b al  s ea r ch   s p ac a n d   av o id   g etti n g   t r ap p ed   in   lo ca l   o p tim 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 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 co n f ir m ed   co n s ta n ( u s u all y   ta k en   to   b 5 ) ,   an d   th 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 v alu o f   th 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 s ea r ch   m eth o d :   h er e,   t h 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 escap s ea r c h   tec h n i q u e.   T h is   d r iv es  t h e x a m i n atio n   to   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 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 in   t h lo ca a r ea .   B ec au s it  h ap p en s   m o r f r eq u e n tl y   d u r i n g   t h s ea r ch   p r o ce s s ,   s ea r ch   ag en ts   h a v m o r 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 t h 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 g r o u p   o f   f o r ag i n g   a n i m als,  th i s   o n 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   p r e y   en ter s   th en v ir o n m e n t,  an d   t h p ir an h ar aler ted   to   th e   s ig n al.   T h ag e n n ea r est  to   th p r ey   a ttack s   f ir s 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 v icti m .   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 s h o w n   i n   ( 8 )     ( + 1 ) = 1 ( ) ( )  ( )  = 1   ( 8 )     Her e,   p 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 to tal  n u m b er   o f   ag en t s ,   x i ( t+1 )   is   th n e w   s e ar ch in g   ag e n lo ca tio n ,   an d   Lk   ( t )   is   th a m o u n o f   lo ca p o p u l atio n   f r ac tio n   attac k s   th a ar ac h iev ed   f o r   th i n itia i m itati n g   attac k ,   wh er 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 lo ca tio n   o f   th b est  a g e n d is co v er ed   in   p r io r   iter ati o n ,   x i ( t)   in d icate s   t h lo ca tio n   o f   t h cu r r e n a g en t.  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   s u b s ta n tial   i n f lu e n ce   on   ch an g i n g   t h 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   u n iq u s e n s iti v it y   f o r   b lo o d ,   ar ac u tel y   a w ar o f   t h b lo o d ' s   s ce n t,  an d   ca n   d etec w h e n   th eir   p r e y   is   in j u r ed   o r   b leed in g .   A s   r esu lt,  d is tan p ir an h as  ar d r a w n   to   th 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 ca n   s w i m   m o r 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 n o n - li n ea r   co s i n 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 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 m ai n   d eter m in a n t   o f   th is   p h ase.   A lter i n g   t h m o v e m e n o f   p ir an h a   d ir ec tio n   co u ld   av o id   lo ca o p t i m 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   s ea r ch   ag e n 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 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 .   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,   9 ) .   1 2   s h o w s   t h unif or m   dispe r s ion   th u s   letti n g   ac ti v 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 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 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   g r o u p   d u r in g   f o r ag 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   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 p ar a m eter   w h ic h   a lter s   th m o v e m e n d ir ec tio n ,   1 ( )   in d icate s   r an d o m l y   s elec ted   clo s e s ag e n 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 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 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   r ep r o d u ctiv tr ait   th a r estrict s   t h e x p an s io n   o its   p o p u latio n .   In   ( 11 ) ,   it   is   u s ed   to   d eter m i n t h 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 o f f s p r i n g   p o p u l atio n   w i ll  b r ep licated   o n ce   th SR   f all s   b elo w   1 /4 ,   in d icatin g   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 s ea r ch i n g   ag e n t,  ( )   r ese m b les  t h 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 d ir ec tio n   a n d   1 ( ) ,   2 ( ) ,   an d   3 ( ) s ig n i f y   ag e n 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 P FO A   f lo w c h ar i s   r ev ea led   i n   Fig u r 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 ,   f r a m e w o r k   o f   g r ad ien b o o s ti n g ,   m i g h b e m p lo y ed   i n   o p ti m izi n g   t h 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 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 p er f o r m a n ce   o f   an   an te n n o r   th p ar am eter s   o f   o p ti m iz atio n .   T h is   co u ld   b em p lo y ed   in   tr ain i n g   m o d el s   th at   p r ed ict   t h 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 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 d es ig n   s p ac ex p lo r atio n .   L i g h tGB 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 o p tim i za tio n   o f   an te n n 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 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 s lo t   r ad iu s   ( R )   o f   p r o j ec te d   an ten n 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 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 t h o p ti m a 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 d esig n ated   f r eq u en c y   ar p r o d u ce d   b y   th e   L ig h tGB m o d el  u s i n g   th s lo r ad iu s   as  in p u t.   I n   es s en ce ,   f o r   g i v en   r ad i u s   R ,   th m o d el  p r ed icts   r et u r n   lo s s   v alu e s .   T h P FO A - L ig h tGB al g o r ith m ' s   co n s ec u tiv p h ase s   ar 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 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 p r ed ictio n s   g u id 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 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  p a r ticu lar   r ad iu s   en h an ce s   r etu r n   lo s s   at  th d esire d   f r eq u e n cies .           Fig u r 3 .   F lo w c h ar t o f   P FO A +lig h tGB m o d el           Fig u r 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 r es u lts   esti m ated   f o r   th p r o p o s e b ail - s h ap ed   m icr o s tr ip   an te n n d esig n Fig u r 4   s h o w s   t h S - p ar a m et er   ( S1 1 )   m ag n it u d r esp o n s o f   th d ev ice  o v er   f r eq u en cy   r an g th at  r an g e s   f r o m   1   GHz   to   1 2   GHz .   T h S1 1   p ar am eter ,   p lo tted   in   r ed ,   s ig n i f ies  th in p u r ef lec tio n   co ef f ic ien 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 r ea ch es  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 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 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 o p er atin g   f r eq u e n c y   f o r   th an te n n a.   B ey o n d   r eso n a n ce ,   S1 1   v al u in cr ea s es   w it h   n o tab le  v ar iati o n   o v er   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 5   is   t h 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 esti m ated   an d   ar e   s h o w n   in   v ar ied   c o lo r s .   T h p lo s h o w s   th a 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 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 d es i g n .   Fig u r 6   s h o w s   p o lar   r ep r es en tatio n   o f   t h f ar - f ie ld   elec tr ic  f ield   r ad iatio n   p atter n   in   th 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 m ai n   lo b in   d ec ib els  r elativ 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 ( L O S)  5 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 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 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 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   b r o ad   co v er ag ar ea .   T h is   o u tco m e   co n f ir m s   co n s is te n 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 h av i n g   s li g h t e n h a n ce m en t in   t h r ad iated   s tr en g t h   at  4 . 2   GHz.           Fig u r 5 .   P o w er   esti m ated   r ep r esen tatio n   in   W             ( a)   ( b )   ( c)     Fig u r 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 3 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 f ar - f ie ld   elec tr ic  f ie ld .   T h 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 P h i   p lan w ith   clea r   s y m m etr y   ar o u n d   th Z   a x is .   T h s tr u ct u r r ad iates  m o r 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   m o d er at el y   d ir ec ti v a n ten n h a v in g   g o o d   ef f icie n c y   a t   w h ic h   m o s o f   th p o w er   is   r ad iated   in   th h o r izo n tal  p la n e.   Fig u r e   7 ( b )   s h o w s   th 3 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 d ir ec tiv it y   d i s tr ib u tio n   o f   t h f ar - f ield   e lectr ic  f ield .   T h 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 h o r izo n tal  th eta  p lan 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   d o u g h n u t - s h ap e d   p atter n .   T h an ten n ex h ib i ts   ef f icien 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 an g u lar   co v er ag e.   Fig u r 7 ( c)   s h o w s   th e   3 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 f ar - f ield   elec tr ic   f ield .   T h 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 h o r izo n ta l   th eta  p lan w i th   cl ea r   s y m m e tr y   ar o u n d   th Z   a x is ,   t h u s   r ese m b li n g   co n s is ten d o u g h n u t - s h ap ed   p atter n .     A t h i s   r an g e,   th a n ten n co n ti n u e s   to   d eliv er   ef f ec ti v 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 8   is   th es ti m atio n   o f   VS WR   p lo as  f u n ct io n   o f   f r eq u en c y ,   w h ic h   is   k e y   m e tr ic  to   esti m ate  t h e   i m p ed an ce   o f   t h a n te n n a   o v er   f r eq u e n c y   r an g e.   T h is   p lo co n f ir m s   t h at  t h 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 r ad iatio n   p att er n   o u tco m a ttai n ed   as  s h o w n   b ef o r e.   Fi g u r 9   d is p la y s   t h Z - p ar a m eter   ( i m p ed an ce )   m ag n it u d p lo o f   t h an ten n s y s te m   o v er   t h f r eq u en c y   r an g o f   1   GHz   to   1 2   GHz .   T h p lo co n f ir m s   t h at  t h 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 10   s h o w s   t h 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 ,   p er f o r m an ce   i n d icato r   o f   an ten n e f f icie n c y   an d   d ir ec t io n alit y   o v er   b r o ad   f r eq u e n c y   r an g ( 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   m ax i m u m   o f   5 . 4   d B   g ain   at  8   GHz.           ( a)   ( b )         ( c)     Fig u r 7 .   Dir ec tiv it y   at   ( a)   3 GHz ,   ( b )   4   GHz ,   an d   ( c)   4 . 2   GH z             Fig u r 8.   VSW R   esti m atio n     Fig u r 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 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 1 1   s h o w s   f ab r icate d   b ail - s h ap ed   p atch   an te n n a.   Fi g u r 1 2   s h o w s   an   a n ten n co n n ec ted   w it h   VN A   to   m ea s u r t h an te n n p ar am eter s .   Fig u r e   1 3   d is p lay s   g r ap h   titl ed   " s im u lated   v s   m ea s u r ed , "   p lo ttin g   th S1 1   p ar am eter   ( in   d B )   o f   an   an te n n ag a in s f r eq u e n c y   ( in   GHz ) .   T h g r ap h   s h o w s   t w o   cu r v e s s o lid   b lu lin r ep r esen ts   th s i m u l ated   S1 1 ,   w h ile  d ash ed   r ed   lin d en o tes  th m ea s u r ed   S1 1 .   T h 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 tr en d   o f   th s i m u lated   r esu lt s ,   s h o w i n g   s ig n i f ican d ip   in   S1 1   ar o u n d   3 . 7   GHz ,   r ea ch in g   v alu 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 f ab r icate d   an ten n a ' s   r eso n an 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 s i m u l atio n T h s u g g ested   a n te n n d esig n   is   co n tr asted   w it h   alter n at iv d esi g n   m eth o d o lo g ies  in   T ab le   2 .   T h p r o p o s ed   an ten n d esi g n   ac h iev e s   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 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 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 th S1 1   p ar a m eter           Fig u r 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 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 14   s h o w s   th 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 x is tin g   m o d el s   li k 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 ar 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 an al y s i s   s h o w s   th 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 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 w id t h s .   Ho w ev er ,   th L i g h t GB M   m o d el  is   m o r co m p le x   to   t u n e   an d   le s s   i n t u iti v 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 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   A   d esi g n   d ev elo p m en a n d   o p ti m izat io n   o f   b ail - s h ap ed   m i cr o s tr ip   p atch   an te n n w as  es s en tia f o r   attain i n g   i m p r o v ed   5 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 p er f o r m an ce ,   n e w   h y b r id   m o d el  b ased   o n   m ac h i n 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   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 o d el  is   id en ti f ied   to   b t h s u itab le   o n 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 an te n n d esig n e d   r eso n ate s   at  f r eq u en c y   r a n g o f   3 . 4 5   GHz ,   h av i n g   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 o f   ab o u 2 . 5 3 5   d B is   attain ed   f o r   p r o p o s ed   d esig n .   T h o u tco m s i m u lated   s h o w s   b etter   o u tco m 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 d esi g n e d   is   s u itab le  c h o ice  f o r   t h e   ap p licatio n   o f   5 tech n o lo g y ,   s p ec if icall y   i n   t h ca s e   o f   h i g h   g ain   n ee d .   T h d ev elo p ed   an ten n a ' s   o u tco m es   ar q u it e   s atis f ac to r y   a n d   s u it   q u ite   f in w ith   5 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 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 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 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.