DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35094-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41545403
تاريخ النشر: 2026-01-16
المؤلف: Seokju Wi وآخرون
الموضوع الرئيسي: تصميم وتحليل الهوائيات
نظرة عامة
تقدم هذه الورقة البحثية هوائي متعدد الأوضاع مصمم بشكل مدمج ومربوط بفجوة، مصمم لتطبيقات واي فاي 6/6E/7 مزدوجة النطاق، مع التركيز على عرض النطاق الترددي المحسن والكفاءة مع الحفاظ على تصميم مسطح ومنخفض. يتيح الاستخدام المبتكر لمذبذب على شكل U مرتبط بفجوة ربط الأوضاع بشكل فعال وتطابق مقاومة عريض النطاق ضمن طائرة أرضية مدمجة بقياس 50 × 30 مم. يختلف هذا التصميم عن الأساليب التقليدية للربط متعددة الطبقات أو الإطارات المعدنية، حيث يحقق تشغيل مزدوج النطاق عبر نطاقي التردد 2.4-2.5 جيجاهرتز و 5.15-7.125 جيجاهرتز مع عرض نطاق مقاومة محاكي -10 ديسيبل يبلغ 400 ميجاهرتز و 2220 ميجاهرتز، على التوالي. يظهر الهوائي كفاءات إجمالية متوسطة تبلغ 70% و 67% في النطاقين الأدنى والأعلى، على التوالي، ويظهر أنماط إشعاع شبه كروية مناسبة للتطبيقات المتنقلة.
في الختام، يعرض تصميم الهوائي المقترح هيكلًا بسيطًا ولكنه فعال يمكن تكييفه مع أحجام مختلفة من الطائرات الأرضية، مما يجعله خيارًا قابلاً للتطبيق لشبكات المنطقة المحلية اللاسلكية المدمجة المستقبلية. حقق الهوائي المصنع عرض نطاق مقاومة -10 ديسيبل يبلغ 760 ميجاهرتز في النطاق الأدنى (2.24-2.68 جيجاهرتز) و 1920 ميجاهرتز في النطاق الأعلى (5.12-7.04 جيجاهرتز)، مما يؤكد قابليته العملية. تؤكد النتائج على إمكانيات هذا الهوائي للتكامل في منصات الاتصالات اللاسلكية وإنترنت الأشياء من الجيل التالي، دعمًا للمتطلبات المتزايدة من الاتصال عبر واي فاي.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التقدم الكبير في الاتصال اللاسلكي الذي يقوده الاستخدام المتزايد للأجهزة الذكية، وبث الفيديو عالي الدقة، وتطبيقات السحابة، وإنترنت الأشياء على مدار العقد الماضي. استجابةً لهذه المطالب، شهد معيار IEEE 802.11 تطورًا مستمرًا، مما أدى إلى أجيال متعاقبة من بروتوكولات الشبكات المحلية اللاسلكية. من الجدير بالذكر أن واي فاي 6 (IEEE 802.11ax) قد عزز الكفاءة الطيفية، لا سيما في البيئات ذات الكثافة السكانية العالية، من خلال استخدام تقنيات الوصول المتعدد بتقسيم الترددات المتعامدة (OFDMA). يبرز هذا التطور الحاجة المستمرة إلى تحسين الحلول اللاسلكية لاستيعاب حركة البيانات المتزايدة ومتطلبات الاتصال.
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون إعداد التجربة وتقنيات القياس المستخدمة لتقييم أداء الهوائي المقترح. يتم تصوير نموذج أولي للهوائي في الشكل 12، بينما يوضح الشكل 13 تكوين القياس باستخدام محلل الشبكة المتجه Agilent 8753ES (VNA) لتقييم معامل الانعكاس. يتم تحديد الكفاءة الإجمالية، التي تأخذ في الاعتبار خسائر الانعكاس، والزيادة القصوى للهوائي ضمن غرفة عازلة ثلاثية الأبعاد معتمدة من CITAcertified بقياس 6 م × 3 م × 3 م.
تظهر النتائج، كما هو موضح في الشكل 14، مقارنة بين معاملات الانعكاس المحاكية والمقاسة للهوائي. من الجدير بالذكر أنه في النطاق الترددي المنخفض، وبالتحديد ضمن نطاق مقاومة -10 ديسيبل من 2.24 إلى 2.68 جيجاهرتز، يظهر الهوائي أداءً فعالًا، مما يشير إلى ملاءمته للتطبيقات ضمن هذا النطاق الترددي.
النتائج
تظهر نتائج المحاكاة للهوائي المقترح أداءً كبيرًا عبر كلا النطاقين التردديين المنخفض والعالي. على وجه التحديد، يظهر الهوائي عرض نطاق -10 ديسيبل يبلغ 400 ميجاهرتز في النطاق الأدنى (2.18 إلى 2.58 جيجاهرتز)، مما يضمن تشغيلًا موثوقًا ضمن نطاق واي فاي 2.4 جيجاهرتز. في النطاق الترددي الأعلى، يحقق عرض نطاق -10 ديسيبل مثير للإعجاب يبلغ 2220 ميجاهرتز، يمتد من 5.13 إلى 7.35 جيجاهرتز، مما يدعم متطلبات النطاق العريض لواي فاي 6E وواي فاي 7، التي تتطلب تغطية من 5.15 إلى 7.125 جيجاهرتز.
توضح النماذج المعادلة المفاهيمية سلوك الرنين متعدد الأوضاع للهوائي، مع ثلاثة فروع تعتمد على التردد تم نمذجتها كدوائر RLC متسلسلة. يتم تعريف ترددات الرنين للنطاق المنخفض ونمطين من النطاق العالي بواسطة المعادلات \( f_L = \frac{1}{2\pi L_{B1} C_{B1}} \)، \( f_{H1} = \frac{1}{2\pi L_{B2} C_{B2}} \)، و \( f_{H2} = \frac{1}{2\pi L_{B3} C_{B3}} \). يتم إعطاء معامل الجودة \( Q_N \)، الذي يؤثر على عرض النطاق، بواسطة \( Q_N = \frac{\omega_{BN} L_{BN}}{R_{BN}} \)، مما يشير إلى أن انخفاض \( Q_N \) يؤدي إلى عرض نطاق مقاومة أوسع. تكشف التحليلات أن الربط بين خط التغذية والفروع 2 و 3 يسهل تشكيل أنماط النطاق العالي، مما يعزز تغطية المقاومة العامة وعرض النطاق، لا سيما في النطاق الترددي العالي.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة الضوء على التقدم في تكنولوجيا واي فاي، مع التركيز بشكل خاص على التحديات والابتكارات في تصميم الهوائيات لواي فاي 6 و 6E و 7. تستخدم هذه المعايير الأحدث نطاقات ترددية أوسع وأعلى، مما يتطلب هوائيات يمكن أن تعمل بكفاءة عبر مجموعة واسعة من الترددات (2.4 جيجاهرتز إلى أكثر من 7 جيجاهرتز) مع الحفاظ على الحجم الصغير وتطابق المقاومة الفعال. يؤكد المؤلفون على الحاجة إلى استراتيجيات تصميم مبتكرة، مثل الإثارة متعددة الأوضاع والربط بالفجوة، لتعزيز عرض النطاق والأداء في الأجهزة المتنقلة وإنترنت الأشياء، حيث المساحة محدودة.
يتميز تصميم الهوائي المقترح بهوائي أحادي الطبقة، مرتبط بفجوة، يدعم التشغيل مزدوج النطاق. يستخدم ثلاثة فروع: الفرع الرئيسي لرنين التردد المنخفض، فرع فرعي لضبط التردد العالي، وفرع مرتبط بفجوة لتثبيت المقاومة. توضح الدراسة البارامترية كيف تؤثر التعديلات على أطوال هذه الفروع على سلوك الرنين، مما يؤكد أدوارها في الضبط وتعزيز عرض النطاق. حقق الهوائي المصنع عرض نطاق مقاومة -10 ديسيبل يبلغ 760 ميجاهرتز في النطاق الأدنى و 1920 ميجاهرتز في النطاق الأعلى، مع كفاءات متوسطة تبلغ حوالي 70% و 67%، على التوالي. تجعل بساطة هذا التصميم وأدائه مناسبًا للتكامل في أنظمة لاسلكية مدمجة متنوعة، مما يلبي الطلب المتزايد على هوائيات متعددة النطاقات الفعالة في التطبيقات الحديثة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35094-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41545403
Publication Date: 2026-01-16
Author(s): Seokju Wi et al.
Primary Topic: Antenna Design and Analysis
Overview
This research paper presents a compact multimode gap-coupled antenna designed for dual-band Wi-Fi 6/6E/7 applications, emphasizing its enhanced bandwidth and efficiency while maintaining a low-profile, planar design. The innovative use of a gap-coupled U-shaped resonator enables effective mode coupling and wideband impedance matching within a compact ground plane measuring 50 × 30 mm. This design diverges from traditional multilayer or metallic-frame coupling approaches, achieving dual-band operation across the 2.4-2.5 GHz and 5.15-7.125 GHz frequency ranges with simulated -10 dB impedance bandwidths of 400 MHz and 2220 MHz, respectively. The antenna demonstrates average total efficiencies of 70% and 67% in the lower and higher bands, respectively, and exhibits quasi-omnidirectional radiation patterns suitable for mobile applications.
In conclusion, the proposed antenna design showcases a simple yet effective structure that can be adapted to various ground plane sizes, making it a viable option for future compact wireless local area networks. The fabricated antenna achieved a -10 dB impedance bandwidth of 760 MHz in the lower band (2.24-2.68 GHz) and 1920 MHz in the higher band (5.12-7.04 GHz), confirming its practical applicability. The findings underscore the potential of this antenna for integration into next-generation wireless and IoT platforms, supporting the evolving demands of Wi-Fi connectivity.
Introduction
The introduction highlights the significant advancements in wireless connectivity driven by the increasing use of smart devices, high-definition video streaming, cloud applications, and the Internet of Things over the past decade. In response to these demands, the IEEE 802.11 standard has undergone continuous evolution, resulting in successive generations of wireless local-area-network protocols. Notably, Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax) has enhanced spectral efficiency, particularly in densely populated environments, by employing orthogonal frequency-division multiple access (OFDMA) techniques. This evolution underscores the ongoing need for improved wireless solutions to accommodate the growing data traffic and connectivity requirements.
Methods
In this section, the authors detail the experimental setup and measurement techniques employed to evaluate the performance of the proposed antenna. The prototype of the antenna is depicted in Figure 12, while Figure 13 illustrates the measurement configuration utilizing an Agilent 8753ES vector network analyzer (VNA) to assess the reflection coefficient. The total efficiency, which accounts for reflection losses, and the peak gain of the antenna are determined within a CITAcertified, three-dimensional anechoic chamber measuring 6 m × 3 m × 3 m.
The results, as shown in Figure 14, compare the simulated and measured reflection coefficients of the antenna. Notably, in the lower-frequency band, specifically within the -10 dB impedance range from 2.24 to 2.68 GHz, the antenna demonstrates effective performance, indicating its suitability for applications within this frequency range.
Results
The simulation results of the proposed antenna demonstrate significant performance across both lower and higher frequency bands. Specifically, the antenna exhibits a -10 dB bandwidth of 400 MHz in the lower band (2.18 to 2.58 GHz), ensuring reliable operation within the 2.4 GHz Wi-Fi band. In the higher frequency band, it achieves an impressive -10 dB bandwidth of 2220 MHz, spanning from 5.13 to 7.35 GHz, thereby supporting the wideband requirements of Wi-Fi 6E and Wi-Fi 7, which necessitate coverage from 5.15 to 7.125 GHz.
The conceptual equivalent models elucidate the antenna’s multimode resonance behavior, with three frequency-dependent branches modeled as series RLC circuits. The resonance frequencies for the low band and two high-band modes are defined by the equations \( f_L = \frac{1}{2\pi L_{B1} C_{B1}} \), \( f_{H1} = \frac{1}{2\pi L_{B2} C_{B2}} \), and \( f_{H2} = \frac{1}{2\pi L_{B3} C_{B3}} \). The quality factor \( Q_N \), which influences bandwidth, is given by \( Q_N = \frac{\omega_{BN} L_{BN}}{R_{BN}} \), indicating that a lower \( Q_N \) results in a wider impedance bandwidth. The analysis reveals that the coupling between the feed line and branches 2 and 3 facilitates the formation of higher-band modes, enhancing overall impedance coverage and matching bandwidth, particularly in the high-frequency range.
Discussion
The discussion section of the paper highlights the advancements in Wi-Fi technology, particularly focusing on the challenges and innovations in antenna design for Wi-Fi 6, 6E, and 7. These newer standards utilize broader bandwidths and higher frequency bands, necessitating antennas that can operate efficiently across a wide range of frequencies (2.4 GHz to above 7 GHz) while maintaining compactness and effective impedance matching. The authors emphasize the need for innovative design strategies, such as multimode excitation and gap coupling, to enhance bandwidth and performance in mobile and IoT devices, where space is limited.
The proposed antenna design features a single-layer, gap-coupled multimode monopole that supports dual-band operation. It utilizes three branches: the main branch for lower frequency resonance, a sub-branch for higher frequency tuning, and a gap-coupled branch for impedance stabilization. The parametric study demonstrates how adjustments to the lengths of these branches influence resonance behavior, confirming their roles in tuning and bandwidth enhancement. The fabricated antenna achieved a -10 dB impedance bandwidth of 760 MHz in the lower band and 1920 MHz in the higher band, with average efficiencies of approximately 70% and 67%, respectively. This design’s simplicity and performance make it suitable for integration into various compact wireless systems, addressing the growing demand for efficient multiband antennas in modern applications.