Проектирование микрополосковой патч-антенны на основе метаматериала SSRR для терагерцового диапазона с использованием алгоритма оптимизации Fennec Fox

Представлена конструкция микрополосковой патч-антенны на основе квадратного разъемного кольцевого резонатора (Square Split Ring Resonator, SSRR). Беспроводная технология связи переходит со стандарта 4G на стандарт 5G из-за необходимости снятия таких ограничений, как невысокая пропускная способность, большая задержка и потери на пути передачи данных. В следующем поколении сетей беспроводной связи для повышения скорости передачи данных применяется терагерцовая технология 5G. Применение микрополосковых патч-антенн в беспроводных технологиях значительно расширилось благодаря их низкой стоимости, простоте конструкции и процесса изготовления печатной платы. Однако в ряде случаев применение патч-антенн ограничивается малой полосой пропускания, небольшим коэффициентом усиления и низкой пропускной способностью. Для решения этих проблем используется алгоритм оптимизации Fennec Fox, который позволяет оптимизировать длину микрополосковой патч-антенны, усилить сигнал и снизить обратные потери. В качестве подложки использован бакелит. Ширина микрополосковой патч-антенны установлена в соответствии с наиболее подходящей выбранной длиной. Для увеличения полосы пропускания и коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) в качестве метаматериала применен резонатор на основе SSRR. Выполнена оценка спроектированной и существующих моделей микрополосковых патч-антенн. Оценочные значения параметров предлагаемой модели составили следующие величины: обратные потери –72,54 дБ, резонансная частота 1,11 ТГц, достигнутое усиление 15,25 дБ, значение КСВН 1,5646. Полученные значения параметров разработанной модели превосходят показатели существующих образцов. Таким образом, разработанная микрополосковая патч-антенна с использованием оптимизации Fennec Fox и метаматериал а н а основе квадратного разъемного кольцевого резонатора показала лучшие результаты в терагерцовом диапазоне.

1. Kim G., Kim S. Design and analysis of dual polarized broadband microstrip patch antenna for 5G mmWave antenna module on FR4 substrate // IEEE Access. 2021. V. 9. P. 64306–64316. https://doi.org/10.1109/access.2021.3075495

2. Acıkaya F.C., Yıldırım B.S. A dual-band microstrip patch antenna for 2.45/5-GHz WLAN applications // AEU-International Journal of Electronics and Communications. 2021. V. 141. P. 153957. https://doi.org/10.1016/j.aeue.2021.153957

3. Davoudabadifarahani H., Ghalamkari B. High efficiency miniaturized microstrip patch antenna for wideband terahertz communications applications // Optik. 2019. V. 194. P. 163118. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2019.163118

4. Alsawaf H.A. High gain of rectangular microstrip patch array in wireless microphones applications // Lecture Notes in Networks and Systems. 2022. V. 430. P. 503–517. https://doi.org/10.1007/978-981-19-0825-5_54

5. Kanade T.K., Rastogi A., Mishra S., Chaudhari V.D. Analysis of rectangular microstrip array antenna fed through microstrip lines with change in width // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2022. V. 1354. P. 487–496. https://doi.org/10.1007/978-981-16-2008-9_46

6. Thorat S.S., Chougule S.R. Design and investigation of compact microstrip patch array antennas for narrowband applications // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2020. V. 1089. P. 105–116. https://doi.org/10.1007/978-981-15-1483-8_10

7. Gnanamurugan S., Sivakumar P. Performance analysis of rectangular microstrip patch antenna for wireless application using FPGA // Microprocessors and Microsystems. 2019. V. 68. P. 11–16. https://doi.org/10.1016/j.micpro.2019.04.006

8. Mishra R., Mishra R.G., Chaurasia R.K., Shrivastava A.K. Design and analysis of microstrip patch antenna for wireless communication // International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering. 2019. V. 8. N 7. P. 663–666.

9. Ezzulddin S.K., Hasan S.O., Ameen M.M. Microstrip patch antenna design, simulation and fabrication for 5G applications // Simulation Modelling Practice and Theory. 2022. V. 116. P. 102497. https://doi.org/10.1016/j.simpat.2022.102497

10. Sandhiyadevi P., Baranidharan V., Mohanapriya G.K., Roy J.R., Nandhini M. Design of Dual-band low profile rectangular microstrip patch antenna using FR4 substrate material for wireless applications // Materials Today: Proceedings. 2021. V. 45. P. 3506–3511. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.12.957

11. Geetharamani G., Aathmanesan T. Design of metamaterial antenna for 2.4 GHz WiFi applications // Wireless Personal Communications. 2020. V. 113. N 4. P. 2289–2300. https://doi.org/10.1007/s11277-020-07324-z

12. Lavadiya S.P., Patel S.K., Maria R. High gain and frequency reconfigurable copper and liquid metamaterial tooth based microstrip patch antenna // AEU-International Journal of Electronics and Communications. 2021. V. 137. P. 153799. https://doi.org/10.1016/j.aeue.2021.153799

13. Pattar D., Dongaokar P., Nisha S.L. Metamaterial for design of Compact Microstrip Patch Antenna // Proc. of the 2020 IEEE Bangalore Humanitarian Technology Conference (B-HTC). 2020. P. 1–4. https://doi.org/10.1109/b-htc50970.2020.9297830

14. Rajak N., Chattoraj N., Mark R. Metamaterial cell inspired high gain multiband antenna for wireless applications // AEU-International Journal of Electronics and Communications. 2019. V. 109. P. 23–30. https://doi.org/10.1016/j.aeue.2019.07.003

15. Vani H.R., Goutham M.A., Paramesha. Gain enhancement of microstrip patch antenna using metamaterial superstrate // The Applied Computational Electromagnetics Society Journal (ACES). 2019. V. 34. N 8. P. 1250–1253.

16. Sağık M., Altıntaş O., Ünal E., Özdemir E., Demirci M., Çolak Ş., Karaaslan M. Optimizing the gain and directivity of a microstrip antenna with metamaterial structures by using artificial neural network approach // Wireless Personal Communications. 2021. V. 118. N 1. P. 109–124. https://doi.org/10.1007/s11277-020-08004-8

17. Guttula R., Nandanavanam V.R., Satyanarayana V. Design and optimization of microstrip patch antenna via improved metaheuristic algorithm // Wireless Personal Communications. 2021. V. 120. N 2. P. 1721–1739. https://doi.org/10.1007/s11277-021-08531-y

18. Suraj P., Behera B.R., Badhai R.K. Optimization of metamaterialsbased Wi-Fi antenna using genetic algorithm // National Academy Science Letters. 2020. V. 43. N 4. P. 333–337. https://doi.org/10.1007/s40009-020-00876-5

19. Shamim S.M., Uddin M.S., Hasan M.R., Samad M. Design and implementation of miniaturized wideband microstrip patch antenna for high-speed terahertz applications // Journal of Computational Electronics. 2021. V. 20. N 1. P. 604–610. https://doi.org/10.1007/s10825-020-01587-2

20. Singh A., Mehra R.M., Pandey V.K. Design and optimization of microstrip patch antenna for UWB applications using Moth–Flame optimization algorithm // Wireless Personal Communications. 2020. V. 112. N 4. P. 2485–2502. https://doi.org/10.1007/s11277-020-07160-1

21. Trojovská E., Dehghani M., Trojovský P. Fennec fox optimization: A new nature-inspired optimization algorithm // IEEE Access. 2022. V. 10. P. 84417–84443. https://doi.org/10.1109/access.2022.3197745

22. Siddiky A.M., Faruque M.R.I., Islam M.T., Abdullah S. A multi-split based square split ring resonator for multiband satellite applications with high effective medium ratio // Results in Physics. 2021. V. 22. P. 103865. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2021.103865

23. Palanivel Rajan S., Vivek C. Analysis and design of microstrip patch antenna for radar communication // Journal of Electrical Engineering & Technology. 2019. V. 14. N 2. P. 923–929. https://doi.org/10.1007/s42835-018-00072-y

24. Darboe O., Konditi D.B.O., Manene F. A 28 GHz rectangular microstrip patch antenna for 5G applications // International Journal of Engineering Research and Technology. 2019. V. 12. N 6. P. 854– 857.

25. Ghosh J., Mitra D. Mutual coupling reduction in planar antenna by graphene metasurface for THz application // Journal of Electromagnetic Waves and Application. 2017. V. 31. N 18. P. 2036– 2045. ttps://doi.org/10.1080/09205071.2016.1277959

26. Sirmaci Y.D., Akin C.K., Sabah C. Fishnet based metamaterial loaded THz patch antenna // Optical and Quantum Electronics. 2016. V. 48. N 2. P. 168. https://doi.org/10.1007/s11082-016-0449-6