تصميم ممتص مدمج عريض النطاق من مادة فوقية مع استقبال واسع الزاوية وغير حساس للاستقطاب لحصاد الطاقة الكهرومغناطيسية في تطبيقات شبكات الاستشعار اللاسلكي
DOI:
https://doi.org/10.22153/kej.2026.12.014الكلمات المفتاحية:
Broadband; Metamaterial absorber; Polarization-insensitive; RF electromagnetic energy harvesting; Wide-angle reception; Wireless sensor network (WSN)الملخص
يقدم هذا العمل تصميمًا جديدًا لممتصّ عريض النطاق مدمج من مادة فوقية (MM)، يتميز باستقبال واسع الزاوية وغير حساس للاستقطاب، وذلك لتطبيقات حصاد الطاقة الكهرومغناطيسية المحيطة. تتكون خلية وحدة MM المقترحة من طبقتين من ركيزة FR-4 منخفضة التكلفة. تحتوي الطبقة العلوية على هيكل مرنان وأربعة مقاومات متكتلة. وُضعت صفيحة نحاسية، تعمل كسطح أرضي، على الجانب الخلفي للطبقة السفلية لتقليل خسائر الإرسال. تُفصل بين الطبقتين العلوية والسفلية طبقة هوائية رقيقة لتعزيز الامتصاص عند الترددات التشغيلية. الحجم الكلي لخلية وحدة MM هو ١٢×١٢×٤,٥٧ مم³، مع قياسات (٠,۱٦× λ₀٠,۱٦× λ₀٠,۱٦λ₀) عند أدنى تردد في طيف الامتصاص. صُممت معاوقة دخل خلية الوحدة بعناية لتتوافق مع معاوقة الفضاء الحر، مما يُسهّل امتصاص الطاقة الكهرومغناطيسية بكفاءة وإعادة توجيه مناسبة للأحمال المقاومة. يُقيّم أداء الممتص لزوايا استقطاب وسقوط مختلفة لكلٍّ من الوضعين الكهربائي المستعرض (TE) والمغناطيسي المستعرض (TM). تشير نتائج المحاكاة إلى أن الممتص المُدخل يحقق امتصاصًا واسع النطاق، متجاوزًا ٩٠٪ في نطاق الترددات من٤ جيجا هرتز إلى ٧ جيجا هرتز. من ناحية أخرى، تحقق خلية وحدة MM كفاءة حصاد تتجاوز ٨٠٪ في ظل السقوط الطبيعي، وتواصل إظهار أداء متميز عبر زوايا سقوط مختلفة لكلٍّ من الوضعين الكهربائي المستعرض والمغناطيسي المستعرض. تعمل هذه الدراسة على تحسين حصاد الطاقة المستند إلى MM بشكل كبير من خلال دمج الاستقبال بزاوية واسعة، وامتصاص النطاق العريض العالي، والحجم الصغير، وعدم حساسية الاستقطاب، مما يجعلها خيارًا مثاليًا لتزويد شبكات الاستشعار اللاسلكية (WSNs) بالطاقة.
التنزيلات
المراجع
[1] X. Tang, X. Wang, R. Cattley, F. Gu, and A. D. Ball, “Energy harvesting technologies for achieving self-powered wireless sensor networks in machine condition monitoring: A review,” Sensors, vol. 18, no. 12, p. 4113, 2018.
[2] S. Kawar, S. Krishnan, and K. Abugharbieh, “An Input Power-Aware Efficiency Tracking Technique with Discontinuous Charging for Energy Harvesting Applications,” IEEE Access, vol. 8, pp. 135195–135207, 2020.
[3] O. Kanoun et al., “Prospects of wireless energy-aware sensors for smart factories in the industry 4.0 era,” Electronics, vol. 10, no. 23, p. 2929, 2021.
[4] A. J. Williams, M. F. Torquato, I. M. Cameron, A. A. Fahmy, and J. Sienz, “Survey of energy harvesting technologies for wireless sensor networks,” IEEE Access, vol. 9, pp. 77493–77510, 2021.
[5] Y. C. Lee et al., “High-performance multiband ambient RF energy harvesting front-end system for sustainable IoT applications—A review,” IEEE Access, vol. 11, pp. 11143–11164, 2023.
[6] M. Wagih, A. S. Weddell, and S. Beeby, “Millimeter-wave power harvesting: A review,” IEEE Open J. Antennas Propag., vol. 1, pp. 560–578, 2020.
[7] E. D. Nwalike, K. A. Ibrahim, F. Crawley, Q. Qin, P. Luk, and Z. Luo, “Harnessing energy for wearables: a review of radio frequency energy harvesting technologies,” Energies, vol. 16, no. 15, p. 5711, 2023.
[8] N. U. Khan, F. U. Khan, M. Farina, and A. Merla, “RF energy harvesters for wireless sensors, state of the art, future prospects and challenges: a review,” Phys. Eng. Sci. Med., vol. 47, no. 2, pp. 385–401, 2024.
[9] X. Zhang, H. Liu, and L. Li, “Electromagnetic power harvester using wide-angle and polarization-insensitive metasurfaces,” Appl. Sci., vol. 8, no. 4, p. 497, 2018.
[10] M. M. Hasan and A. M. A. Sabaawi, “Microstrip patch antenna with multi-fins for radio frequency energy harvesting applications,” Prog. Electromagn. Res. C, vol. 142, pp. 61–73, 2024.
[11] S. Roy, J.-J. Tiang, M. Bin Roslee, M. T. Ahmed, A. Z. Kouzani, and M. A. P. Mahmud, “Design of a highly efficient wideband multi-frequency ambient RF energy harvester,” Sensors, vol. 22, no. 2, p. 424, 2022.
[12] S. Costanzo and F. Venneri, “Polarization-insensitive fractal metamaterial surface for energy harvesting in IoT applications,” Electronics, vol. 9, no. 6, p. 959, 2020.
[13] A. A. G. Amer, S. Z. Sapuan, and A. Y. I. Ashyap, “Efficient metasurface for electromagnetic energy harvesting with high capture efficiency and a wide range of incident angles,” J. Electromagn. Waves Appl., vol. 37, no. 2, pp. 245–256, 2023.
[14] A. A. G. Amer, S. Z. Sapuan, N. Nasimuddin, A. Alphones, and N. B. Zinal, “A comprehensive review of metasurface structures suitable for RF energy harvesting,” IEEE Access, vol. 8, pp. 76433–76452, 2020.
[15] T. S. Pham, B. X. Khuyen, V. D. Lam, L. Chen, and Y. Lee, “Wide-Angle, Polarization-Independent Broadband Metamaterial Absorber by Using Plasmonic Metasurface-Based Split-Circular Structure,” in Photonics, MDPI, 2025, p. 334.
[16] N. I. Landy, S. Sajuyigbe, J. J. Mock, D. R. Smith, and W. J. Padilla, “Phys. Rev. Lett. 100, 207402 (2008) - Perfect Metamaterial Absorber,” Phys. Rev. Lett., 2008.
[17] H. Zheng, T. S. Pham, L. Chen, and Y. Lee, “Metamaterial Perfect Absorbers for Controlling Bandwidth: Single-Peak/Multiple-Peaks/Tailored-Band/Broadband,” Crystals, vol. 14, no. 1, p. 19, 2023.
[18] T. Lang, M. Xiao, and W. Cen, “Graphene-based metamaterial sensor for pesticide trace detection,” Biosensors, vol. 13, no. 5, p. 560, 2023.
[19] A. S. Saadeldin, A. M. Sayed, A. M. Amr, M. O. Sayed, M. F. O. Hameed, and S. S. A. Obayya, “Wideband ultrathin and polarization insensitive metamaterial absorber for Ku-band applications,” J. Mater. Sci. Mater. Electron., vol. 34, no. 26, p. 1797, 2023.
[20] Y. Wei et al., “A dual-band, polarization-insensitive, wide-angle metasurface array for electromagnetic energy harvesting and wireless power transfer,” Results Phys., vol. 46, p. 106261, 2023.
[21] A. M. Tamim, M. R. I. Faruque, M. J. Alam, S. S. Islam, and M. T. Islam, “Split ring resonator loaded horizontally inverse double L-shaped metamaterial for C-, X-and Ku-Band Microwave applications,” Results Phys., vol. 12, pp. 2112–2122, 2019.
[22] N. Ullah et al., “A compact complementary split ring resonator (CSRR) based perfect metamaterial absorber for energy harvesting applications,” Eng. Sci. Technol. an Int. J., vol. 45, p. 101473, 2023.
[23] B. Ghaderi, V. Nayyeri, M. Soleimani, and O. M. Ramahi, “A novel symmetric ELC resonator for polarization-independent and highly efficient electromagnetic energy harvesting,” in 2017 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Advanced Materials and Processes for RF and THz Applications (IMWS-AMP), IEEE, 2017, pp. 1–3.
[24] A. A. G. Amer et al., “Dual-band, wide-angle, and high-capture efficiency metasurface for electromagnetic energy harvesting,” Nanomaterials, vol. 13, no. 13, p. 2015, 2023.
[25] A. A. G. Amer, N. Othman, S. Z. Sapuan, A. Alphones, and A. A. Salem, “High-efficiency electromagnetic energy harvesting using double-elliptical metasurface resonators,” PLoS One, vol. 18, no. 12, p. e0291354, 2023.
[26] A. Ghaneizadeh, K. Mafinezhad, and M. Joodaki, “Design and fabrication of a 2D-isotropic flexible ultra-thin metasurface for ambient electromagnetic energy harvesting,” Aip Adv., vol. 9, no. 2, 2019, doi: 10.1063/1.5083876.
[27] N. Ullah et al., “Design and experimental validation of a compact dual-band metamaterial perfect absorber for electromagnetic energy harvesting applications,” Opt. Mater. (Amst)., vol. 157, 2024, doi: 10.1016/j.optmat.2024.116054.
[28] N. Ullah et al., “Design and experimental validation of a compact dual band double negative metamaterial for energy harvesting applications,” Sci. Rep., vol. 15, no. 1, 2025, doi: 10.1038/s41598-025-99298-w.
[29] S. D. Assimonis, T. Samaras, J. N. Sahalos, T. Kollatou, D. Tsiamitros, and D. Stimoniaris, “High efficiency and triple-band metamaterial electromagnetic energy hervester,” in Eleco 2015 9th International Conference on Electrical and Electronics Engineering, 2016, pp. 320–323. doi: 10.1109/ELECO.2015.7394527.
[30] N. Ullah, M. S. Islam, A. Hoque, A. Alzamil, M. S. Soliman, and M. T. Islam, “Design and development of a compact, wide-angle metamaterial electromagnetic energy harvester with multiband functionality and polarization-insensitive features,” Sci. Rep., vol. 14, no. 1, 2024, doi: 10.1038/s41598-024-69976-2.
[31] M. Amiri, F. Tofigh, N. Shariati, J. Lipman, and M. Abolhasan, “Miniature tri-wideband Sierpinski-Minkowski fractals metamaterial perfect absorber,” Iet Microwaves Antennas Propag., vol. 13, no. 7, pp. 991–996, 2019, doi: 10.1049/iet-map.2018.5837.
[32] M. Norouzi et al., “3D metamaterial ultra-wideband absorber for curved surface,” Sci. Rep., vol. 13, no. 1, 2023, doi: 10.1038/s41598-023-28021-4.
[33] B. Ghaderi, M. Soleimani, V. Nayyeri, and O. M. Ramahi, “Pixelated Metasurface for Dual-Band and Multi-Polarization Electromagnetic Energy Harvesting,” Sci. Rep., vol. 8, no. 1, 2018, doi: 10.1038/s41598-018-31661-6.
[34] A. Ghaneizadeh, M. Joodaki, J. Börcsök, A. Golmakani, and K. Mafinezhad, “Analysis, design, and implementation of a new extremely ultrathin 2-D-isotropic flexible energy harvester using symmetric patch FSS,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 68, no. 6, pp. 2108–2115, 2020.
[35] F. O. Alkurt et al., “Octagonal shaped metamaterial absorber based energy harvester,” Medziagotyra, vol. 24, no. 3, pp. 253–259, 2018, doi: 10.5755/j01.ms.24.3.18625.
[36] F. Yu, X. Yang, H. Zhong, C. Chu, and S. Gao, “Polarization-insensitive wide-angle-reception metasurface with simplified structure for harvesting electromagnetic energy,” Appl. Phys. Lett., vol. 113, no. 12, 2018.
[37] N. Ullah et al., “An efficient, compact, wide-angle, wide-band, and polarization-insensitive metamaterial electromagnetic energy harvester,” Alexandria Eng. J., vol. 82, pp. 377–388, 2023.
[38] Y. I. Abdulkarim et al., “A review on metamaterial absorbers: Microwave to optical,” Front. Phys., vol. 10, p. 893791, 2022.
[39] A. A. G. Amer, S. Z. Sapuan, N. B. Othman, A. A. Salem, A. J. A. Al-Gburi, and Z. Zakaria, “A wide-angle, polarization-insensitive, wideband metamaterial absorber with lumped resistor loading for ISM band applications,” IEEE Access, vol. 12, pp. 42629–42641, 2023.
[40] C. Liang et al., “A broadband perfect metamaterial absorber with angle-insensitive characteristics,” J. Electromagn. Waves Appl., vol. 37, no. 3, pp. 401–410, 2023.
[41] X. You et al., “Ultra-wideband far-infrared absorber based on anisotropically etched doped silicon,” Opt. Lett., vol. 45, no. 5, pp. 1196–1199, 2020.
[42] T. Q. H. Nguyen, T. K. T. Nguyen, T. N. Cao, H. Nguyen, and L. G. Bach, “Numerical study of a broadband metamaterial absorber using a single split circle ring and lumped resistors for X-band applications,” AIP Adv., vol. 10, no. 3, 2020.
[43] A. A. G. Amer, S. Z. Sapuan, A. Alzahrani, N. Nasimuddin, A. A. Salem, and S. S. M. Ghoneim, “Design and analysis of polarization-independent, wide-angle, broadband metasurface absorber using resistor-loaded split-ring resonators,” Electronics, vol. 11, no. 13, p. 1986, 2022.
[44] H. Ojukwu, B. Seet, and S. U. Rehman, “Wideband and load-insensitive metasurface absorber for radio frequency energy harvesting,” in 2022 IEEE 33rd Annual International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), IEEE, 2022, pp. 963–967.
[45] X. Chen, T. M. Grzegorczyk, B.-I. Wu, J. Pacheco Jr, and J. A. Kong, “Robust method to retrieve the constitutive effective parameters of metamaterials,” Phys. Rev. E—Statistical, Nonlinear, Soft Matter Phys., vol. 70, no. 1, p. 16608, 2004.
[46] M. R. Islam et al., “Metamaterial based on an inverse double V loaded complementary square split ring resonator for radar and Wi-Fi applications,” Sci. Rep., vol. 11, no. 1, p. 21782, 2021
التنزيلات
منشور
إصدار
القسم
الرخصة
الحقوق الفكرية (c) 2026 مجلة الخوارزمي الهندسية
هذا العمل مرخص بموجب Creative Commons Attribution 4.0 International License.
حقوق الطبع والنشر: يحتفظ مؤلفو الوصول المفتوح بحقوق الطبع والنشر لاعمالهم، ويتم توزيع جميع مقالات الوصول المفتوح بموجب شروط ترخيص Creative Commons Attribution License، والتي تسمح بالاستخدام غير المقيد والتوزيع والاستنساخ في أي وسيط، بشرط ذكر العمل الأصلي بشكل صحيح. إن استخدام الأسماء الوصفیة العامة، والأسماء التجاریة، والعلامات التجاریة، وما إلی ذلك في ھذا المنشور، حتی وإن لم یتم تحدیدھ بشکل محدد، لا یعني أن ھذه الأسماء غیر محمیة بموجب القوانین واللوائح ذات الصلة. في حين يعتقد أن المشورة والمعلومات في هذه المجلة صحيحة ودقيقة في تاريخ صحتها، لا يمكن للمؤلفين والمحررين ولا الناشر قبول أي مسؤولية قانونية عن أي أخطاء أو سهو قد يتم. لا يقدم الناشر أي ضمان، صريح أو ضمني، فيما يتعلق بالمواد الواردة في هذه الوثيقة.
كيفية الاقتباس
