DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-42793-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41935060
تاريخ النشر: 2026-04-04
المؤلف: Ahmed J.A. Al-Gburi وآخرون
الموضوع الرئيسي: تصميم وتحليل الهوائيات
نظرة عامة
تتناول الأبحاث قيود الهوائيات التقليدية القائمة على النحاس للتطبيقات القابلة للارتداء، والتي تشمل ضعف المرونة، وتدهور الإشارة تحت التشوه، والمخاوف البيئية. للتغلب على هذه التحديات، يتم اقتراح الجرافين كبديل لمادة الإشعاع نظرًا لتوصيلها الكهربائي العالي، ومرونتها الممتازة، وتوافقها مع الركائز القابلة للتكلفة المنخفضة مثل الأقمشة أو الورق.
في هذه الدراسة، تم تطوير هوائي MIMO ذو منفذين يستخدم الجرافين للتواصل الذكي القابل للارتداء، مطبوع على الدنيم بموصلية كهربائية تبلغ 1.67 وأبعاد 35 × 55 مم³. يعمل الهوائي في وضع متعدد النطاقات ضمن نطاق 5G تحت 6 جيجاهرتز، ويغطي بشكل محدد نطاقات التردد من 3.1-4.3 جيجاهرتز و4.9-6.0 جيجاهرتز. بالإضافة إلى ذلك، تم تحديد نطاقات رنين أعلى عند 8.25-9.4 جيجاهرتز و10.82-14.4 جيجاهرتز، مما يظهر خصائص الهوائي واسعة النطاق ويجعله مرشحًا واعدًا لمحطات 5G القابلة للارتداء ونظم الاتصال اللاسلكي المركزية على الجسم.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الطلب المتزايد على الهوائيات المرنة وعالية الأداء في الأجهزة القابلة للارتداء، مدفوعة بالتقدم في تكنولوجيا الاتصالات اللاسلكية. يجب أن تستخدم هذه الهوائيات مواد موصلة تحتفظ بخصائص كهربائية مستقرة تحت التشوه الميكانيكي، مثل الانحناء والتمدد. لتعزيز المرونة، ركز الباحثون على تقليل سمك الموصلات المعدنية، حيث أن الصلابة الانحنائية تتناسب طرديًا مع السمك. توفر الأفلام المعدنية الرقيقة مرونة محسنة وتوافقًا مع الركائز المرنة.
يظهر الجرافين كبديل واعد للإلكترونيات المرنة والقابلة للتمدد نظرًا لتوصيله الكهربائي الاستثنائي، وخصائصه الميكانيكية، ومرونته. تسهل خصائص سطحه الفريدة، الخالية من الروابط المرتبطة والمعلقة، التكامل الأفضل مع مواد أخرى، بما في ذلك المعادن والبوليمرات، مما يعزز متانة الهوائيات. بالإضافة إلى ذلك، تساهم خصائص تأثير الجلد الضئيلة للجرافين في ملاءمته لهذه التطبيقات.
النتائج
ركزت نتائج الدراسة على توزيع معدل الامتصاص المحدد (SAR) في نموذج بشري تعرض للطاقة الكهرومغناطيسية عند أربع ترددات رنين: 3.5 جيجاهرتز، 5.64 جيجاهرتز، 8.4 جيجاهرتز، و12.9 جيجاهرتز. توضح خرائط الحرارة أنه عند الترددات المنخفضة (3.5 جيجاهرتز و5.64 جيجاهرتز)، كان معدل الامتصاص مركزًا في موقع الهوائي على الصدر، مما خلق “نقاط ساخنة” محلية تتلاشى إلى الأنسجة العضلية الأعمق بينما تبقى تحت حدود السلامة. بالمقابل، عند الترددات الأعلى (8.4 جيجاهرتز و12.9 جيجاهرتز)، كان امتصاص الطاقة محدودًا لطبقات سطحية من النموذج، متسقًا مع الخصائص الكهربائية المعتمدة على التردد التي تشير إلى أن توصيلية أعلى عند الترددات المرتفعة تقلل من عمق الاختراق.
على الرغم من هذه التغيرات المعتمدة على التردد، تم تصميم الهوائي بفجوة هوائية ضئيلة لمحاكاة وضعه الواقعي على الجسم، مما يضمن بقاء قيم SAR القصوى ضمن حدود التعرض الدولية. تؤكد هذه النتائج سلامة وفعالية تصميم MIMO القائم على الجرافين للتطبيقات القابلة للارتداء على المدى الطويل، مما يشير إلى عدم وجود مخاطر صحية كبيرة للمستخدمين.
المناقشة
تسلط المناقشة الضوء على التقدمات الأخيرة في الهوائيات القابلة للارتداء، مع التركيز بشكل خاص على استخدام المواد الموصلة والركائز المرنة لتعزيز الأداء في تطبيقات الاتصالات اللاسلكية عالية التردد. تشمل المساهمات الملحوظة تطوير أحبار الجرافين المطبوعة صديقة للبيئة لهوائيات RFID، وهوائيات قماشية مرنة تستخدم الجرافين CVD، وتصاميم مبتكرة تستخدم الدنيم كركيزة. تؤكد هذه الدراسات مجتمعة على إمكانيات المواد القائمة على الجرافين في تحقيق توصيلية عالية ومتانة مع الحفاظ على الامتثال لحدود معدل الامتصاص المحدد (SAR) للاستخدام القابل للارتداء بشكل آمن.
تقدم هذه العمل هوائي MIMO متعدد المدخلات والمخرجات مطبوع من الجرافين مصمم للتواصل الذكي القابل للارتداء، يعمل عبر عدة نطاقات تردد ذات صلة بتطبيقات 5G (3.1-4.3 جيجاهرتز، 5.9-6.0 جيجاهرتز، 8.25-9.4 جيجاهرتز، و10.28-14.4 جيجاهرتز). يظهر الهوائي، المصنوع على ركيزة من الدنيم، مزايا كبيرة في المرونة والاستدامة البيئية مقارنةً بالهوائيات المعدنية التقليدية. تؤكد التحقق التجريبي أدائه الفعال في MIMO، بما في ذلك معاملات الارتباط المنخفضة (ECC) وزيادة التنوع المستقرة، جنبًا إلى جنب مع تقييمات SAR الشاملة التي تضمن الامتثال للمعايير الدولية للسلامة. يمثل هذا العمل جهدًا رائدًا في دمج تكنولوجيا الجرافين مع الأقمشة الدنيمية لنظم الاتصال القابلة للارتداء متعددة النطاقات.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-42793-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41935060
Publication Date: 2026-04-04
Author(s): Ahmed J.A. Al-Gburi et al.
Primary Topic: Antenna Design and Analysis
Overview
The research addresses the limitations of traditional copper-based planar antennas for wearable applications, which include poor flexibility, signal degradation under deformation, and environmental concerns. To overcome these challenges, graphene is proposed as an alternative radiating material due to its high electrical conductivity, excellent flexibility, and compatibility with low-cost textile or paper substrates.
In this study, a two-port MIMO antenna utilizing graphene is developed for wearable smart communication, printed on denim with a dielectric constant of 1.67 and dimensions of 35 × 55 mm³. The antenna operates in a multiband mode within the 5G sub-6 GHz spectrum, specifically covering frequency ranges of 3.1-4.3 GHz and 4.9-6.0 GHz. Additionally, higher-order resonant bands are identified at 8.25-9.4 GHz and 10.82-14.4 GHz, demonstrating the antenna’s wideband characteristics and making it a promising candidate for wearable 5G sub-6 GHz terminals and body-centric wireless communication systems.
Introduction
The introduction highlights the growing demand for flexible and high-performance RF antennas in wearable devices, driven by advancements in wireless communication technology. These antennas must utilize conductive materials that retain stable electrical properties under mechanical deformation, such as bending and stretching. To enhance flexibility, researchers have focused on reducing the thickness of metal conductors, as flexural rigidity is directly proportional to thickness. Thinner metal films offer improved flexibility and compatibility with flexible substrates.
Graphene emerges as a promising alternative for flexible and stretchable electronics due to its exceptional electrical conductivity, mechanical properties, and flexibility. Its unique surface characteristics, which are free from bonded and dangling bonds, facilitate better integration with other materials, including metals and polymers, thereby enhancing the robustness and durability of the antennas. Additionally, the negligible skin-effect characteristics of graphene further contribute to its suitability for these applications.
Results
The results of the study focused on the Specific Absorption Rate (SAR) distribution in a human phantom exposed to electromagnetic energy at four resonance frequencies: 3.5 GHz, 5.64 GHz, 8.4 GHz, and 12.9 GHz. Heat maps illustrated that at lower frequencies (3.5 GHz and 5.64 GHz), SAR was concentrated at the antenna’s location on the chest, creating localized “hot spots” that diminished into deeper muscle tissues while remaining well below safety limits. In contrast, at higher frequencies (8.4 GHz and 12.9 GHz), energy absorption was limited to superficial layers of the phantom, consistent with the frequency-dependent dielectric properties that indicate higher conductivity at elevated frequencies reduces penetration depth.
Despite these frequency-dependent variations, the antenna was designed with minimal air gap to simulate realistic on-body placement, ensuring that peak SAR values stayed within international exposure thresholds. These findings affirm the safety and efficacy of the graphene-based MIMO design for long-term wearable applications, indicating no significant health risks to users.
Discussion
The discussion highlights recent advancements in wearable antennas, particularly focusing on the use of conductive materials and flexible substrates to enhance performance in high-frequency wireless communication applications. Notable contributions include the development of eco-friendly screen-printed graphene inks for RFID antennas, flexible textile antennas utilizing CVD-graphene, and innovative designs employing denim as a substrate. These studies collectively underscore the potential of graphene-based materials in achieving high conductivity and durability while maintaining compliance with specific absorption rate (SAR) limits for safe wearable use.
The present work introduces a printed graphene multiple-input multiple-output (MIMO) antenna designed for smart wearable communication, operating across several frequency bands relevant to 5G applications (3.1-4.3 GHz, 5.9-6.0 GHz, 8.25-9.4 GHz, and 10.28-14.4 GHz). The antenna, fabricated on a denim substrate, demonstrates significant advantages in flexibility and environmental sustainability compared to traditional metallic antennas. Experimental validation confirms its effective MIMO performance, including low envelope correlation coefficients (ECC) and stable diversity gain, alongside comprehensive SAR assessments that ensure compliance with international safety standards. This work represents a pioneering effort in integrating graphene technology with denim textiles for multiband wearable communication systems.