DOI: https://doi.org/10.1109/jsen.2026.3668988
تاريخ النشر: 2026-03-06
المؤلف: Musa N. Hamza وآخرون
الموضوع الرئيسي: تصميم وتحليل الهوائيات
نظرة عامة
تقدم هذه الورقة البحثية مستشعرًا مبتكرًا ومنخفض التكلفة ومضغوطًا مصممًا لتطبيقات الطب الحيوي عالية الدقة ضمن نطاق تردد 2-4 جيجاهرتز. يدمج المستشعر بشكل فريد مادة ميتامادية سلبية مزدوجة (DNG) مع هوائي رقعة ميكروستريب مدعوم بمولد مغناطيسي صناعي (AMC)، مما يحقق تحسينات كبيرة في الكسب، الاتجاهية، والحساسية – وهي عوامل حاسمة للتشخيصات في نطاق جيجاهرتز. تم بناؤه على ركيزة FR4 منخفضة التكلفة بحجم مضغوط يبلغ 50 × 50 مم²، ويظهر المستشعر كسبًا ذروياً يبلغ 7.6 ديسيبل، متجاوزًا التصاميم الحالية. تؤكد المحاكاة الكاملة والت validations التجريبية في غرفة صامتة خصائصه السلبية في معامل الانكسار ومقاييس الأداء الممتازة.
تشير النتائج إلى أن هذا المستشعر لا يتفوق فقط على نظرائه المتقدمين في الكسب والحجم والاستجابة الاتجاهية، بل يمثل أيضًا نهجًا جديدًا من خلال دمج هياكل DNG وAMC في جهاز واحد. تم التحقق من سلوكه ثنائي النطاق وحساسيته العازلة القوية من خلال تقييم شامل، مما يظهر أداءً متفوقًا في الكسب، الحساسية، معامل الجودة، ورقم الجدارة (FoM). يضع تصميم المستشعره كمرشح واعد لتطبيقات مثل مراقبة الصحة القابلة للارتداء، التصوير الطبي المحمول، والتشخيصات غير الغازية، بما في ذلك الكشف عن الشذوذات الدماغية في مراحلها المبكرة. ستركز الأبحاث المستقبلية على مزيد من التصغير، وزيادة عرض النطاق، والتكامل مع الركائز المرنة والمتوافقة حيويًا لتطبيقات الطب الحيوي المتقدمة.
طرق
تتناول هذه القسم التحقق التجريبي من مستشعر قائم على مادة ميتامادية، تم تصنيعه على ركيزة FR4 بسماكة 1.52 مم باستخدام آلة بروتوليزر LPKF عالية الدقة. تم إجراء التحقق في جامعة ريكيافيك، باستخدام غرفة صامتة لتقليل التداخل البيئي. تم أخذ القياسات الرئيسية، بما في ذلك معامل الانعكاس ($|S_{11}|$)، الكسب المحقق، وأنماط الإشعاع، باستخدام محلل شبكة متجهة Anritsu MS4644B وهوائي horn Geozondas GZ0226DRH. ضمنت الإعدادات التجريبية محاذاة دقيقة ومعايرة، مما يسمح بتقييم دقيق لأداء المستشعر تحت ظروف النطاق الضيق والنطاق العريض للغاية.
أظهرت النتائج ارتباطًا قويًا بين البيانات المقاسة والمحاكاة، خاصة في معامل الانعكاس والكسب المحقق. بدون المولد المغناطيسي الصناعي (AMC)، أظهر المستشعر رنينًا أوسع وكسبًا أقل. ومع ذلك، فإن دمج AMC حدد بشكل كبير منحنى $|S_{11}|$ وزاد من الكسب المحقق بالقرب من التردد الرنيني، مما يؤكد فعالية AMC في تحسين مطابقة المعاوقة وتركيز الطاقة الكهرومغناطيسية. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت أنماط الإشعاع العادية تحسينات ملحوظة في الاتجاهية مع دمج AMC، كما يتضح من تقليل الفصوص الجانبية وزيادة حدة الفص الرئيسي في قياسات كل من مستوى E ومستوى H. بشكل عام، يؤكد التحقق التجريبي على الأداء العالي للمستشعر وقابليته العملية، مما يبرز الدور الحاسم لطبقة AMC في تعزيز خصائصه التشغيلية.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة البحثية الضوء على التقدم في تقنيات الاستشعار ذات النطاق الضيق باستخدام عدسات مثالية قائمة على مواد ميتامادية ومولدات مغناطيسية صناعية (AMCs). تستفيد هذه التقنيات من الخصائص الفريدة للمواد الميتامادية السلبية المزدوجة (DNGs)، التي يمكن أن تضخم الموجات المتلاشية وتحقق عدسات مثالية، مما يسمح بحل التفاصيل دون الطول الموجي التقليدي. تتيح قابلية ضبط المواد الميتامادية تخصيصها للاستجابات الترددية المحددة، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب حساسية ودقة عالية. يعزز دمج AMCs أداء المستشعر من خلال عكس الموجات الكهرومغناطيسية بدون انزلاق في الطور، مما يؤدي إلى مستشعرات منخفضة الملف الشخصي وعالية الاتجاهية مثالية للتطبيقات الطبية الحيوية والصناعية. ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات في التنفيذ العملي لهذه المستشعرات، خاصة في دقة التصنيع وتقليل الفقد.
تم تحسين التصميم الهيكلي للمستشعر الطبي الحيوي القائم على المواد الميتامادية المقترحة لنطاق تردد 2-4 جيجاهرتز، حيث يجمع بين مادة ميتامادية DNG مع هوائي رقعة ميكروستريب مدعوم بـ AMC. تعزز هذه التكوين الهجين حصر المجال وحساسية العزل، وهو أمر حاسم للاستشعار الطبي الحيوي الدقيق. تشمل منهجية التصميم تطوير خلايا وحدة مصممة لتشغيل النطاق الضيق والعريض، مع ترتيبات هندسية محددة لتحقيق سلوكيات كهرومغناطيسية مرغوبة. تؤكد المحاكاة الكهرومغناطيسية الخصائص السلبية المزدوجة الفعالة للمادة الميتامادية، والتي تعتبر ضرورية لتحقيق معامل انكسار سالب وتعزيز قدرات الاستشعار. يتميز أداء المستشعر بتحديد قوي للمجال، وفقدان طاقة ضئيل، ومطابقة فعالة للمعاوقة، مما يجعله مرشحًا واعدًا لتشخيصات الطب الحيوي وأنظمة التصوير من الجيل التالي.
DOI: https://doi.org/10.1109/jsen.2026.3668988
Publication Date: 2026-03-06
Author(s): Musa N. Hamza et al.
Primary Topic: Antenna Design and Analysis
Overview
This research paper introduces an innovative, low-cost, compact sensor designed for high-precision biomedical applications within the 2-4 GHz frequency range. The sensor uniquely integrates a double-negative (DNG) metamaterial with an artificial magnetic conductor (AMC)-backed microstrip patch antenna, achieving significant enhancements in gain, directionality, and sensitivity—critical factors for GHz-range diagnostics. Constructed on a cost-effective FR4 substrate with a compact size of 50 × 50 mm², the sensor demonstrates a peak gain of 7.6 dBi, surpassing existing designs. Full-wave simulations and experimental validations in an anechoic chamber confirm its negative refractive index characteristics and excellent performance metrics.
The findings indicate that this sensor not only outperforms state-of-the-art counterparts in gain, size, and directional response but also represents a novel approach by combining DNG and AMC structures in a single device. Its dual-band behavior and strong dielectric sensitivity are validated through comprehensive benchmarking, showcasing superior performance in gain, sensitivity, Q-factor, and Figure of Merit (FoM). The sensor’s design positions it as a promising candidate for applications such as wearable health monitoring, portable medical imaging, and non-invasive diagnostics, including early-stage brain abnormality detection. Future research will focus on further miniaturization, bandwidth enhancement, and integration with flexible, biocompatible substrates for advanced biomedical applications.
Methods
The section details the experimental validation of a metamaterial-based sensor, fabricated on a 1.52-mm-thick FR4 substrate using a high-precision LPKF protolaser machine. The validation was conducted at Reykjavik University, utilizing an anechoic chamber to minimize environmental interference. Key measurements, including the reflection coefficient ($|S_{11}|$), realized gain, and radiation patterns, were taken using an Anritsu MS4644B vector network analyzer and a Geozondas GZ0226DRH horn antenna. The experimental setup ensured precise alignment and calibration, allowing for accurate assessment of the sensor’s performance under both narrowband and ultra-wideband conditions.
The results demonstrated a strong correlation between measured and simulated data, particularly in the reflection coefficient and realized gain. Without the artificial magnetic conductor (AMC), the sensor exhibited broader resonance and lower gain. However, integration of the AMC significantly sharpened the $|S_{11}|$ curve and enhanced the realized gain near the resonant frequency, confirming the AMC’s effectiveness in improving impedance matching and focusing electromagnetic energy. Additionally, the normalized radiation patterns showed marked improvements in directionality with AMC integration, evidenced by reduced side lobes and enhanced main lobe sharpness in both E-plane and H-plane measurements. Overall, the experimental validation confirms the sensor’s high performance and practical applicability, highlighting the critical role of the AMC layer in enhancing its operational characteristics.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the advancements in narrowband sensing technologies utilizing metamaterial-based perfect lenses and artificial magnetic conductors (AMCs). These technologies leverage the unique properties of double-negative metamaterials (DNGs), which can amplify evanescent waves and achieve perfect lensing, allowing for the resolution of sub-wavelength details beyond the classical diffraction limit. The tunability of metamaterials enables customization for specific frequency responses, making them particularly suitable for applications requiring high sensitivity and resolution. The integration of AMCs further enhances sensor performance by reflecting electromagnetic waves with zero phase shift, leading to low-profile, high-directivity sensors ideal for biomedical and industrial applications. However, challenges remain in the practical implementation of these sensors, particularly in fabrication precision and loss minimization.
The structural design of the proposed metamaterial-based biomedical sensor is optimized for the 2-4 GHz frequency range, combining a DNG metamaterial with an AMC-backed microstrip patch antenna. This hybrid configuration enhances field confinement and dielectric sensitivity, crucial for accurate biomedical sensing. The design methodology includes the development of unit cells tailored for narrowband and broadband operations, with specific geometric arrangements to achieve desired electromagnetic behaviors. Electromagnetic simulations confirm the effective double-negative properties of the metamaterial, which are essential for achieving a negative refractive index and enhancing sensing capabilities. The sensor’s performance is characterized by strong field localization, minimal energy loss, and efficient impedance matching, making it a promising candidate for next-generation biomedical diagnostics and imaging systems.