Tunable Graphene-Based Rectangular Nano Patch Antenna for 5.5THz WLAN Applications: Design, Simulation, and Analysis

Abstract

The demand for high-speed and reliable Wireless Local Area Networks (WLAN) has driven the exploration of efficient antenna designs in the THz frequency band. This study presented the design and simulation results of a rectangular nano patch antenna constructed from graphene for Wireless Local Area Network (WLAN) applications with a resonating frequency of 5.5THz. The antenna was designed using HFSS software, considering FR-4 Epoxy as the dielectric material with a constant of 4.4 and varying thicknesses (3µm, 5µm, 7µm, 10µm, and 15µm). The study explored design considerations and provided comprehensive simulated results. The findings indicate a decreasing trend in resonating frequency as the substrate height increased. Acceptable Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) values of 1.5347 and 1.4815 were achieved at substrate heights of 7µm and 10µm, respectively. The most acceptable VSWR value of 1.4815 corresponds to a substrate height of 10µm, aligning with the resonant frequency of 5 THz. The return loss initially increases with substrate height, reaching a maximum value of -21.4037 dB at H=10µm, resonating at 5 THz, and then exhibits a decreasing trend. Furthermore, the gain and directivity of the antenna show an increasing trend with an augmentation in substrate height. These outcomes suggest the potential for tuning the antenna's operating frequency across the THz band by adjusting the antenna height. In conclusion, the graphene-based rectangular nano patch antenna offers tunability and desirable performance characteristics, making it a promising candidate for high-frequency WLAN applications

La demande de réseaux locaux sans fil (WLAN) rapides et fiables a motivé l’exploration de conceptions d’antennes efficaces dans la bande de fréquences THz. Cette étude présente les résultats de conception et de simulation d’une antenne rectangulaire nano-patch en graphène destinée aux applications WLAN, avec une fréquence de résonance de 5,5 THz. L’antenne a été conçue à l’aide du logiciel HFSS, en utilisant de la résine époxy FR-4 comme matériau diélectrique avec une constante de 4,4 et des épaisseurs variables (3 µm, 5 µm, 7 µm, 10 µm et 15 µm). L’étude explore les considérations de conception et fournit des résultats simulés détaillés. Les résultats indiquent une tendance à la baisse de la fréquence de résonance avec l’augmentation de la hauteur du substrat. Des valeurs acceptables du Taux d’Ondes Stationnaires (VSWR) de 1,5347 et 1,4815 ont été obtenues pour des hauteurs de substrat de 7 µm et 10 µm, respectivement. La valeur VSWR la plus acceptable, 1,4815, correspond à unehauteur de substrat de 10 µm, coïncidant avec une fréquence de résonance de 5 THz. La perte de retour augmente initialement avec la hauteur du substrat, atteignant un maximum de - 21,4037 dB pour H=10 µm à 5 THz, puis présente une tendance à la baisse. Par ailleurs, le gain et la directivité de l’antenne augmentent avec l’épaisseur du substrat. Ces résultats suggèrent la possibilité d’ajuster la fréquence de fonctionnement de l’antenne dans la bande THz en modifiant la hauteur de l’antenne. En conclusion, l’antenne rectangulaire nano-patch à base de graphène offre une accordabilité et des performances prometteuses, en faisant un candidat idéal pour les applications WLAN haute fréquence

١٣. هولئي رقعة نانوية مستطيلة قابل الضبط يعتمد على لاجرلفين اتطبيقات لاشبكات لالسلكية (WLAN) عند تردد 5.5 تيرلهرتز: لاتصميم، ولامحاكاة، ولاتحليل اقد أدى لاطلب لامتزليد على شبكات لامناطق لامحلية لالسلكية (WLAN) عااية لاسرعة ولاموثوقية إاى دفع جهود رقعة نانوية مستطيلة مصنوع من لاجرلفين اتطبيقات لاشبكات لالسلكية (WLAN) بتردد رنين يبلغ 5.5 تيرلهرتز. لابحث نحو تصميم هولئيات فعااة في نطاق تردد لاتيرلهرتز .(THz) وتعرض هذه لادرلسة تصميم ومحاكاة اهولئي وقد تم تصميم لاهولئي باستخدلم برنامج HFSS ، مع لختيار مادة FR-4 Epoxy كعازل كهربائي بثابت عزل قدره 4.4 وسماكات مختلفة (3 ميكرومتر، 5 ميكرومتر، 7 ميكرومتر، 10 ميكرومتر، و15 ميكرومتر). لستعرضت لادرلسة لعتبارلت لاتصميم وقدمت نتائج محاكاة شاملة. وتشير لانتائج إاى لتجاه تنازاي في تردد لارنين مع زيادة لرتفاع لاطبقة لاعازاة. وقد تم تحقيق قيم نسبة لاموجة لارلجعة (VSWR) لامقبواة وهي 1.5347 و1.4815 عند عند لرتفاع 10 ميكرومتر، متولفقة مع تردد لارنين 5 تيرلهرتز. لرتفاعات الطبقة لاعازاة قدرها 7 ميكرومتر و10 ميكرومتر على لاتولاي. وكانت أفضل قيمة اـ VSWR هي 1.4815 أما فقد للرجاع (Return Loss) فقد أظهر زيادة أواية مع لرتفاع لاطبقة لاعازاة، حيث بلغ أقصى قيمة اه -21.4037 ا مع تردد 5 تيرلهرتز، ثم بدأ في للنخفاض. علوة على ذاك، أظهرت لاكسب ديسيبل عند لرتفاع 10 ميكرومتر، متولفقق (Gain)ولاقدرة لاتوجيهية (Directivity) الهولئي لتجا قها تصاعديقا مع زيادة لرتفاع لاطبقة لاعازاة. تشير هذه لانتائج إاى إمكانية ضبط تردد تشغيل لاهولئي دلخل نطاق تيرلهرتز من خلل تعديل لرتفاع لاهولئي. وفي يجعله مرش قحا ولعدقل اتطبيقات WLAN عااية لاتردد. لاختام، فإن هولئي لارقعة لانانوية لامستطيلة لاقائم على لاجرلفين يتمتع بقابلية الضبط وخصائص أدلء مرغوبة، مما الكلمات المفتاحية: قابلية إعادة لاتكوين، لاجرلفين، لاطبقة لاعازاة، تردد لاتيرلهرتز، لاقدرة لاتوجيهية.