I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m pu t er   E ng ineering   ( I J E CE )   Vo l.   1 6 ,   No .   3 ,  J u n e   20 2 6 ,   p p .   1249 ~ 1 2 6 0   I SS N:  2088 - 8 7 0 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijece. v 1 6 i 3 . pp 1 2 4 9 - 1 2 6 0           1249       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   Sub - X - ba nd re co nfigura ble ante nn a  net wo rk  with  gr a phene  slo ts       H a s s na   Ag o um i 1 ,   Sedd ik   B ri 2 ,   Yo us s ef   E l A m ra o ui 3 ,   Adil   Sa a di 1   1 M o d e l i n g ,   I n f o r mat i o n   P r o c e ssi n g   a n d   C o n t r o l   S y s t e ms   ( M I P C S ) ,   N a t i o n a l   G r a d u a t e   S c h o o l   o f   A r t s   a n d   C r a f t s,     M o u l a y   I smai l   U n i v e r si t y ,   M e k n e s,  M o r o c c o   2 I n t e l l i g e n t   El e c t r i c a l   S y s t e ms,   M a t e r i a l s  a n d   C o mp o n e n t s ,   H i g h   S c h o o l   o f   Te c h n o l o g y ,   M o u l a y   I smai l   U n i v e r si t y ,   M e k n e s ,   M o r o c c o    3 L a b o r a t o r y   o f   C o n d e n s e d   M a t t e r   a n d   I n t e r d i s c i p l i n a r y   S c i e n c e   ( L a M C S c I ) ,   F a c u l t y   o f   S c i e n c e ,   M o h a m m e d   V   U n i v e r s i t y ,   R a b a t ,   M o r o c c o       Art icle  I nfo     AB S T RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Au g   2 9 ,   2 0 2 5   R ev is ed   Ma r   2 7 ,   2 0 2 6   Acc ep ted   Ap r   2 6 ,   2 0 2 6       Th is  p a p e r  p re se n ts  th e   d e sig n   a n d   a n a ly sis  o f  a   g ra p h e n e - slo tt e d   h e x a g o n a l  m icro strip   p a tch   a n ten n a   a n d   it s   e x ten sio n   to   a   c o m p a c t  4 × 4   p l a n a r  a rra y   o p e ra ti n g   in   th e   su b - X - b a n d .   T h e   o b jec ti v e   o f  th is  wo rk   is  t o   d e m o n stra te  th a t  g ra p h e n e - b a se d   e lec tri c a l  re c o n fig u ra b il it y   c a n   b e   e x ten d e d   fro m   a   sin g le  a n ten n a   e lem e n t  to   a n   a rr a y   c o n fi g u ra ti o n   w h il e   imp r o v i n g   ra d iatio n   p e rfo rm a n c e .   Th e   p ro p o se d   a n ten n a   in te g ra tes   g ra p h e n e   slo ts  e tch e d   i n to   th e   ra d iatin g   p a tch ,   wh e re   re c o n fig u r a b il it y   is ac h iev e d   b y   e lec tri c a l ly   tu n i n g   t h e   g ra p h e n e   c o n d u c ti v it y   th r o u g h   a n   e x ter n a l  g a te  v o lt a g e   V g .   T h e   sin g le   a n ten n a   o p e ra tes   a ro u n d   9 . 4   G Hz   with   a n   imp e d a n c e   b a n d wi d th   o f   4 0 0   M Hz   a n d   a   p e a k   g a i n   o f  6   d B .   T h e   d e s ig n   is  th e n   e x te n d e d   to   a   4 × 4   a rra y   wit h   a n   in ter - e lem e n t  sp a c in g   o f  a p p ro x i m a tely   1 . 2   wa v e len g t h s.  Th e   a rra y   o p e ra tes   in   t h e   9 – 1 0   G Hz   ra n g e ,   p r o v id e s   a   b a n d wid t h   o f  3 8 0   M Hz ,   a n d   a c h iev e s  a   m a x imu m   g a in   o f   1 3 . 0 8   d B .   T h e   re su lt s  c o n f irm  th a t  g ra p h e n e - e n a b led   re c o n fig u ra b il it y   c a n   b e   p re se rv e d   a t  th e   a rra y   le v e l  wit h o u t   i n c re a sin g   stru c tu ra l  c o m p lex it y .   K ey w o r d s :   B an d wid th   en h an ce m en t   Gain   im p r o v e m en t   Gr ap h en e - b ased   an ten n a   Hex ag o n al  p atch   an ten n a   Plan ar   an ten n a  a r r ay   R ec o n f ig u r ab le  a n ten n a   Su b - x - b a n d   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Hass n a  Ag o u m i   Mo d elin g ,   I n f o r m atio n   Pr o ce s s in g   an d   C o n tr o l Sy s tem s   ( MI PC S),   Natio n al  Gr ad u ate  Sch o o l o f   Ar ts   an d   C r af ts ,   Mo u lay   I s m ail  Un iv er s ity   1 5 2 9 0   E NSAM,   Me k n es 5 0 5 0 0 ,   Mo r o cc o   E m ail: h . ag o u m i@ ed u . u m i.a c. m a.       1.   I NT RO D UCT I O N   Mic r o s tr ip   p atch   an ten n as a r e  ex ten s iv ely   em p lo y e d   in   m o d e r n   wir eless   co m m u n icatio n   s y s tem s   d u e  to   th eir   co m p ac t  s ize,   lo w  p r o f ile,   ea s e  o f   f ab r icatio n ,   a n d   co m p atib ilit y   with   p lan ar   an d   p r in ted   cir cu it   tech n o lo g ies   [ 1 ] .   T h ey   a r e   co m m o n ly   u s ed   in   ap p licatio n s   s u ch   as  au to m o tiv e  r ad ar ,   s atellite   co m m u n icatio n s ,   an d   wir eless   s y s tem s .   I t  is   in   th e  f ield s   o f   h ig h - r eso lu tio n   r ad ar ,   m ilit ar y   co m m u n icatio n s ,   an d   ad v a n ce d   wir eless   ap p licatio n s   th at  th e  X - b an d   f in d s   all  its   in ter est   am o n g   th e  m icr o wav e  b an d s ,   d u e  t o   its   b alan ce   b etwe en   r eso lu tio n   an d   p r o p a g atio n .   I n   ad d itio n   t o   in cr ea s in g   th e  tr an s m is s io n   r ate,   m u ltip le - in p u t - m u ltip le - o u tp u t  ( MI MO )   tec h n o lo g ies   im p r o v e  th e  r eliab ilit y   o f   s y s tem s   an d   th eir   r o b u s tn ess   ag ain s t  in ter f er en ce   [ 1 ] .   C o m p ac t r ec o n f ig u r ab le  r ad a r   an d   c o m m u n icatio n   p latf o r m s   id ea lly   o p er ate  i n   th e   9 - 1 0   GHz   b a n d .   Ho wev er ,   to   f u l ly   ex p l o it  o p tim al   MI MO   p er f o r m an ce ,   th e   r ad ia tin g   elem en ts   m u s t c o m b i n e  ef f icien cy   an d   f lex ib ilit y .   T h e  h ig h   co n d u ctiv ity   o f   co p p er   p atch   an ten n as  d o es  n o t  co m p en s ate  f o r   two   m ain   lim itatio n s   in   ad v an ce d   ap p licatio n s :  co n f i n ed   r ec o n f ig u r a b ilit y   an d   s p ec tr al  r ig id ity   [ 2 ] .   Gr ap h e n e,   a  p r o m is in g   two - d im en s io n al  m ater ial,   ef f ec ti v ely   ad d r ess es  th ese  lim itat i o n s   th an k s   to   its   s u r f ac e  co n d u ctiv ity ,   wh ich   is   ad ju s tab le  b y   g ate  v o ltag e,   wh ich   en s u r es si g n if ican tly   im p r o v ed   elec tr ical  p e r f o r m an ce   [ 3 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   1 6 ,   No .   3 ,  J u n e   20 2 6 :   1 2 4 9 - 1 2 6 0     1250   Gr ap h en e  e n ab les  f r e q u en c y   r ec o n f i g u r a b ilit y   in   r a d iatin g   s tr u ctu r es  with o u t   r ely in g   o n   ac tiv e  co m p o n en ts   s u ch   as  p o s itiv e  in tr in s ic  n eg ativ e   ( PIN )   d io d e s ,   m icr o elec tr o m ec h an ical   s y s tem s   ( ME MS) ,   o r   tr an s is to r s   [ 4 ] .   Patch   an ten n a s   in co r p o r atin g   g r ap h e n e  s lo ts   en ab le  lo ca l  im p ed a n ce   tu n in g   an d   co n tr o lled   ac tiv atio n   o f   r ad iatin g   zo n es  [ 5 ] .   Pre v i o u s   r esear ch   h ig h lig h ts   th e  s u p er io r   p er f o r m a n ce   o f   g r a p h en e - b ased   an ten n as  in   ter m s   o f   b an d wid th ,   d ir ec tiv ity ,   a n d   ad ap tab ilit y   [ 6 ] .   B r o ad b a n d   ar ch itectu r e s ,   ad ap tiv e   MI MO   s y s tem s ,   co g n itiv e  an ten n as,  an d   in tellig en t  r ad ar s   ar e  am o n g   th e  p r im a r y   b en e f iciar ies  o f   th is   s p ec tr al   f lex ib ilit y   [ 7 ] .   Fu r th e r m o r e,   g r ap h en e' s   ato m ic - s ca le  th ick n ess   f ac ilit ates  th e  r ea lizatio n   o f   co m p ac t  d e v ices   wh ile  m ain tain in g   h ig h   p er f o r m an ce   [ 8 ] .   Nev er th eless ,   m o s t  ex is tin g   s tu d ies  o n   g r ap h en e - b ased   an ten n as  r em ain   lim ited   to   s in g le - elem en t  co n f ig u r atio n s   o r   th eo r eti ca l  an aly s es,  with   o n ly   a  f ew   wo r k s   ad d r ess in g   p r ac tical  r ec o n f ig u r ab le  im p le m en tatio n s .   R ec en t  s tu d ies  h a v e  d em o n s tr ated   f r eq u e n cy   r e co n f ig u r ab le  r ad io   f r eq u e n cy   ( R F)  an d   m icr o wav e  an ten n as  b ased   o n   g r ap h e n e ,   ex p l o itin g   g ate - v o ltag e  c o n tr o l  th r o u g h   s u r f ac e  co n d u ctiv ity   o r   q u an t u m   ca p a citan ce   [ 9 ] ,   [ 1 0 ] .   Oth er   wo r k s   h av e  ex p lo r e d   b ea m   o r   r ad iat io n   r ec o n f i g u r atio n   u s in g   g r a p h en e - b ased   c o n ce p ts   at  s u b - 6   GHz   o r   h ig h e r   f r eq u en cy   r eg im es  [ 1 1 ] ,   w h ile  co m p r eh en s iv e  in v esti g atio n s   o f   g r a p h en e - b a s ed   an ten n a   ar r a y s   ar e   m ain l y   r ep o r ted   o u ts id e   th e  c o n v e n tio n al  m icr o wav e   Su b - X - b an d   o r   r em ai n   at  a  co n ce p tu al  lev el  [ 1 2 ] .   As  a  r esu lt,  th e  b eh av io r   o f   co m p ac t,  r ec o n f ig u r ab le   g r ap h e n e  an ten n a  ar r a y s   o p er a tin g   in   th e  s u b - X - b an d   h as y et   to   b e  th o r o u g h ly   i n v esti g ated .   T o   ad d r ess   th e  lim ited   in v esti g atio n   o f   co m p ac t  g r a p h en e - b ased   an ten n a  a r r ay s   in   t h e  s u b - X - b an d ,   we  p r esen t  t h e  d esig n ,   s im u latio n ,   a n d   an aly s is   o f   a   s in g le  m icr o s tr ip   p atch   an te n n a   an d   its   ex ten s io n   to   a   4 ×4   r ec o n f ig u r ab le  ar r a y   in co r p o r atin g   g r ap h en e - b ased   s lo ts ,   o p tim ized   f o r   9 – 1 0   GHz   o p er atio n .   Un lik e  co n v en tio n al  ap p r o ac h es  r ely i n g   o n   PIN   d io d es  o r   ME MS  s witch es,  th e  p r o p o s ed   m eth o d   ac h iev es  f r eq u e n c y   ag ilit y   th r o u g h   g ate - v o ltag e - c o n tr o lled   s u r f ac e  co n d u ctiv ity   m o d u latio n ,   d y n am ically   co n tr o llin g   im p ed a n ce   m atch in g   a n d   s u r f ac e  cu r r en t   d is tr ib u tio n .   T h e  c o n tr ib u tio n s   o f   th is   wo r k   in cl u d e  t h e  i m p lem en tatio n   o f   a   p ass iv e  g r ap h en e - s lo t  r ec o n f ig u r atio n   m ec h an is m   with in   a   s ca lab le  m icr o wav e  ar r a y   ar ch itectu r e  an d   t h e   v alid atio n   o f   its   elec tr o m ag n e tic  p er f o r m an ce .   T h an k s   to   g r ap h en e,   th e  p r o p o s ed   s tr u ctu r e  o u tp er f o r m s   th e   co n v en tio n al  co p p e r   d esig n   in   ter m s   o f   b an d wid th ,   g ain ,   an d   d ir ec tiv ity .   T h ese  im p r o v em en ts   v alid ate   n o v elty   a n d   th e  p r ac tical  in ter est o f   r ec o n f ig u r a b le  n etwo r k s   f o r   ad ap tiv e  m icr o wav e  an ten n a  s tr u ctu r es.   T h is   wo r k   ex ten d s   th e  t h eo r etica l  f r am ewo r k   o f   m icr o s tr ip   p atch   an ten n as  b y   in co r p o r atin g   a   m ater ial - d r iv en   r ec o n f ig u r atio n   m ec h an is m   b ased   o n   th e  t u n ab le  s u r f ac e  c o n d u ctiv ity   o f   g r ap h e n e.   I t  s h o ws   th at  v ar iatio n s   in   g r a p h en e   co n d u ctiv ity   ef f ec tiv el y   m o d if y   th e  b o u n d ar y   co n d itio n s   an d   t h e  ef f ec tiv e  elec tr ical  len g th   o f   th e   r ad iati n g   elem en t,  th e r eb y   in f lu en ci n g   th e  r eso n an t  b e h av io r .   T h i s   estab lis h es  a  d ir ec t   r elatio n s h ip   b etwe en   m ater ial  p r o p er ties   an d   elec tr o m a g n eti c  r esp o n s e.   C o n s eq u e n tly ,   th e  p r o p o s ed   ap p r o ac h   r ef in es c o n v e n tio n al  im p e d an c e  m atch in g   a n d   r eso n an ce   m o d els f o r   ad a p tiv e  an ten n a  ar r a y s .       2.   RE S E ARCH   M E T H O D   T h is   s ec tio n   p r esen ts   a  m eth o d o lo g y   f o r   d esig n in g   a  r ec o n f ig u r ab le  g r a p h en e - b ased   a n ten n a.   I t  d escr ib es  th e  tr a n s itio n   f r o m   a  s in g le  r a d iatin g   elem en t  to   a  4 ×4   ar r a y   o p er atin g   in   th e   s u b - X - b an d   ( 9 - 1 0   GHz ) .   T h e   an ten n a   is   m o d el ed   u s in g   f u ll - wa v e  elec tr o m a g n etic  s im u latio n s   with   C ST  Mic r o wav e  Stu d io .   R ec o n f ig u r ab ilit y   is   ac h ie v ed   b y   in te g r atin g   g r ap h en e  s lo ts ,   wh ich   ar e  r e p r esen ted   b y   a  tu n ab le   s u r f ac e   im p ed an ce   co n tr o lled   th r o u g h   a  g ate   v o ltag e   V g .   T h e   ar r a y   co n f ig u r atio n   is   t h en   o p tim ize d   in   te r m s   o f   in ter - elem en t sp ac in g   to   e v alu ate  th e  im p ac t o f   g r ap h en e  tu n ab ilit y   o n   a n ten n a  p er f o r m an ce .     2 . 1 .     G ra ph ene  co nd uct iv it y   m o del   T h e  s u r f ac e   co n d u ctiv ity   o f   g r ap h e n e,   d en o te d   b y   σ s ,   ar i s es  f r o m   b o th   in ter b a n d   an d   in tr ab a n d   elec tr o n ic  tr an s itio n s .   Ho wev e r ,   in   th e  g i g ah er tz  f r eq u e n cy   r an g e,   th e  in tr a b an d   co n tr i b u tio n   d o m in ates,  wh ile   th e  in ter b a n d   c o n tr ib u tio n   ca n   b e  n eg lecte d .   Un d er   th is   ass u m p tio n ,   t h e  g r ap h e n e  s u r f ac e  co n d u ctiv ity   ca n   b e   ex p r ess ed   u s in g   th e  i n tr ab an d   Ku b o   f o r m u latio n ,   as sh o wn   i n   ( 1 )   [ 1 3 ] .     = − 2 ℏ 2 ( − − 1 ) [ µ + 2  ( − µ + 1 ) ]   ( 1 )     W h er e  ω   is   t h e  a n g u lar   f r e q u en cy   in   ( r ad . s - 1 ) ,   τ   is   t h e  r elax atio n   tim e   in   ( s ) ,   μ c   is   th e   c h em ical  p o ten tial  o f   g r ap h e n e  in   ( eV) ,   T   is   th e  ab s o lu te  tem p er atu r e  in   ( K) ,   e   is   th e  elec tr o n   ch ar g e  in   ( C ) ,   ℏ   is   th e  r ed u ce d   Plan c k   co n s tan t in   ( J . s ) ,   an d   k B   is   th e  B o ltzm an n   co n s tan t in   ( J . K - 1 ).   As  d escr ib ed   b y   ( 1 ) ,   th e   g r a p h en e  s u r f ac e   co n d u ctiv ity   is   m ain ly   g o v er n ed   b y   th r ee   k ey   p ar am eter s :  th e  r elax atio n   tim e  τ ,   t h e  tem p er atu r e  T ,   a n d   t h e  ch em ical  p o ten tial  μ c ,   wh ic h   r e p r esen ts   th e  d o p in g   lev el  o f   g r ap h e n e.   T h e  ch em ical  p o ten tial  ca n   b e  c o n tr o lled   b y   an   e x ter n al  g ate - v o ltag e  d en o te d   b y   V g ,   allo win g   th e   g r ap h e n e  s h ee t  to   ex h ib it  ei th er   h ig h   o r   l o w  s u r f ac e  c o n d u ctiv ity .   As  a  r esu lt,  t h is   m o d el  ac cu r ately   r ep r o d u ce s   th e  h ig h   ( ON  s tate)   an d   lo w  ( OFF s tate)   co n d u ct iv ity   o f   g r ap h e n e.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Sub - X - b a n d   r ec o n fig u r a b le  a n ten n a   n etw o r k  w ith   g r a p h en e   s lo ts   …   ( Ha s s n a   A g o u mi )   1251   2 . 2 .     E lect rica l t un a bil it y   wit h g a t e  v o lt a g e   T h e  u s e  o f   an   ap p lied   g ate  v o ltag e  V g   en ab les  d y n a m ic  co n tr o l  o f   th e  c h em ical  p o te n tial  μ c   o f   g r ap h e n e  an d   p r o v i d es  ac tiv e   co n tr o l  o f   its   s u r f ac e  c o n d u c tiv ity .   T h e  r elatio n s h ip   b etwe en   g ate - v o ltag e  V g   an d   ch em ical  p o ten tial  μ c   is   g i v en   b y   ( 2 )   [ 1 4 ] .     = 2 ℎ ℏ 2 2 ℰ 0 ℰ   ( 2 )     W h er e  V g   is   th e  ap p lied   g ate - v o ltag e  in   ( V) ,   e   is   th e  elec tr o n   ch ar g e  in   ( C ) ,   μ c   is   th e  ch em ical  p o ten tial  o f   g r ap h e n e  in   ( eV) ,   h   is   th e  s u b s tr ate  th ick n ess   in   ( m m ) ,   ℏ   is   th e  r ed u ce d   Plan c k   co n s tan t in   ( J . s ) ,   v f   is   th e  Fer m i  v elo city   in   g r ap h en e   in   ( m . s - 1 ) ,   Ꜫ r   is   th e  r elativ e   p er m itti v ity   o f   th e   s u b s tr ate,   an d   Ꜫ 0   is   th e   p er m itti v ity   o f   f r ee   s p ac e  in   ( F.m - 1 ).   Acc o r d in g   to   ( 2 ) ,   a n   i n cr ea s ed   c h em ica l  p o ten tial   r esu ltin g   f r o m   a   h ig h er   g ate - v o ltag e   im p r o v es th e  s u r f ac e  co n d u cti v ity .   T h is   m ec h a n is m   en ab les  r ec o n f ig u r ab le  elec tr o m ag n eti c  p r o p e r ties .     2 . 3 .     Str uct ura l g e o m e t ry   o f   t he  pro po s ed  a nte nn a   T h e  h ex ag o n al - s h ap e d   m icr o s tr ip   p atch   is   im p lem en ted   o n   an   ep o x y   FR 4   s u b s tr ate  with   a  r elativ e  p er m itti v ity   o f   4 . 3   an d   a  th i ck n ess   o f   1 . 6   m m .   T h e  m ain   d esig n   p ar am eter s   o f   th is   p atch   an ten n a  ar e   p r esen ted   in   T ab le  1 .   T h e  p r o p o s ed   an te n n a  is   an   ir r eg u lar   h ex ag o n al  m icr o s tr ip   p at ch .   I ts   g eo m etr y   is   d ef in ed   b y   th e  o v er all  p atch   le n g th   Lp ,   th e   ef f ec tiv e  v er tical  d im en s io n   Lp 1 ,   an d   t h e  later al   p atch   len g t h   Lp 2.   T h e  ca v ity   tr a n s m is s io n   lin e  m o d el  f r o m   [ 1 5 ]   p r o v id es  an   in itial  ap p r o x im atio n   o f   th e   ef f ec tiv e   elec tr ical  len g th   o f   t h e  r ad iatin g   elem en t  Lp 1 ,   d en o ted   b y   L eff   ( ef f ec tiv e  p atc h   len g t h ) ,   as e x p r ess ed   in   ( 3 ) .     = 2 √    ( 3 )     W h er e    is   th e  s p ee d   o f   lig h t  in   ( m . s - 1 ) ,   f r   is   th e  r eso n an t  f r eq u en c y   in   ( GHz ) ,   an d   Ꜫ eff   is   th e  ef f ec tiv e  d ielec tr ic  co n s tan t o f   t h e  s u b s tr ate.   T h e  r em ain in g   d im en s io n s ,   n a m ely   th e  m ain   p atch   len g th   Lp   an d   th e  later al  len g th   Lp 2 ,   a r e  d er iv ed   f r o m   th e   g eo m etr ic  co n s tr ai n ts   o f   th e  ir r eg u lar   h ex a g o n al  s h ap e.   Fo r   ir r eg u lar   g eo m etr ies,  clo s ed - f o r m   an aly tical  ex p r ess io n s   h av e  lim ited   ac cu r ac y .   T h er e f o r e,   th e  p ar am eter s   ar e  ad ju s ted   th r o u g h   f u ll - wav e   elec tr o m ag n etic  s im u latio n s   to   ac h iev e  th e  r e q u ir e d   r eso n a n c e  an d   im p e d an ce   m atc h in g   c o n d itio n s   [ 1 6 ] .   T h e  m o d if icatio n   o f   th e  s u r f a ce   cu r r en t  d is tr ib u tio n ,   in d u ce d   b y   th e  in s er tio n   o f   s lo ts   in   th e  p atch ,   o p tim izes  th e  im p e d an ce   m atch in g .   D y n am ic  v ar iatio n   o f   th e  ef f ec tiv e  elec tr ical  le n g th ,   w ith o u t  alter atio n   o f   th e  p h y s ical  d im en s io n s ,   is   e n s u r ed   b y   th e  co n d u ctiv ity   o f   th e  g r a p h en e.   Fig u r e  1   illu s tr ates  th e  an ten n a  g eo m etr y ,   wh e r e  Fig u r e  1 ( a)   s h o ws  th e   r ef e r en ce   p atch   an d   Fig u r e  1 ( b )   p r esen ts   th e  g r a p h en e - s lo tted   co n f ig u r atio n .   T h e  o p tim ized   d im en s io n al  p ar am eter s   o f   th e  g r o u n d   p lan e,   s u b s tr ate,   p atch ,   f ee d   lin e,   an d   s lo ts   ar e  s u m m ar ized   in   T ab le  2 .       T ab le  1 .   E s s en tial p ar am eter s   o f   th e  p r o p o s ed   an ten n a   P a r a me t e r   V a l u e   R e s o n a n t   f r e q u e n c y ,   f r   ( G H z )   9 . 4 6   R e l a t i v e   p e r m i t t i v i t y   o f   t h e   s u b st r a t e   ( )   4 . 3   S u b s t r a t e   t h i c k n e ss,   h   ( mm )   1 . 6   A n t e n n a   i n p u t   i m p e d a n c e ,   R in   (Ω   )   50           ( a)   ( b )     Fig u r e   1 .   Geo m etr y   o f   th e  p r o p o s ed   h ex a g o n al  p atch   an te n n a:  ( a)   r ef er e n ce   elem en t a n d   ( b )   g r ap h en e - s lo tted   co n f ig u r atio n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   1 6 ,   No .   3 ,  J u n e   20 2 6 :   1 2 4 9 - 1 2 6 0     1252   T ab le  2 .   Op tim ized   g eo m etr ic  p ar am eter s   o f   t h e  p r o p o s ed   g r ap h en e - s lo tted   p atch   an ten n a   P a r a me t e r   O p t i mi z e d   v a l u e   i n   ( mm )   M a i n   p a t c h   l e n g t h   Lp   1 0 . 2 0   Ef f e c t i v e   v e r t i c a l   p a t c h   d i me n si o n   Lp 1   8 . 8 0   l a t e r a l   p a t c h   l e n g t h   Lp 2   8 . 5 0   F e e d   l i n e   l e n g t h   L 1   6 . 8 0   F e e d   l i n e   w i d t h   W 1   2 . 0 0   I mp e d a n c e   M a t c h i n g   l e n g t h   L 2   2 . 9 0   I mp e d a n c e   M a t c h i n g   w i d t h   W 2   3 . 0 0   S l o t   w i d t h   Wsl o t   0 . 7 5   S l o t   l e n g t h   L sl o t   8 . 7 5   I n t e r   sl o t   sp a c i n g   S sl o t   3 . 7 5       Fo llo win g   f in aliza tio n   o f   th e   an ten n a   d esig n ,   th e  s u r f ac e   cu r r e n t  d is tr ib u tio n   is   ev al u ated .   An   ess en tial  s tep   f o r   ass es s in g   h o w  th e  g r ap h e n e  s lo ts   in f lu en c e  r ad iativ e  p er f o r m a n ce   an d   r ec o n f ig u r ab ilit y .   I n   p ar ticu lar ,   s u r f ac e   cu r r e n t  e v o lu tio n   h i g h lig h ts   t h e  r o le  o f   g r ap h en e   in   m o d if y in g   ef f ec tiv e   cu r r e n t  p ath s   an d   r eso n an ce   c h ar ac ter is tics .   Acc o r d in g l y ,   th e   f o llo win g   s ec tio n   ex am in es  t h e  s u r f ac e   cu r r en t  d is tr ib u tio n   o f   th e   p r o p o s ed   an ten n a  in   b o th   th e  ON  an d   OFF s tates o f   th e  g r ap h en e  s lo ts .     2 . 4 .     Su rf a ce   curr ent   dis t ributio n in O N  a nd   O F F   s t a t es   Fre q u en cy   r ec o n f ig u r ab ilit y   i s   ac h iev ed   b y   c o n tr o llin g   th e   cu r r e n t  s u r f ac e   d is tr ib u tio n   t h r o u g h   th e   in teg r ated   g r ap h e n e  s lo ts ,   wh i ch   ar e  s tr ateg ically   p lace d   in   r eg io n s   with   h ig h   cu r r e n t  d e n s ity .   T h e  s y s tem   is   b ased   o n   g r ap h en e  s witch in g :  in   th e  ON  s tate,   it s   r ed u ce d   im p ed an ce   allo ws  th e  cu r r en t  to   p ass   th r o u g h   th e   s lo ts ;  in   th e  OFF  s tate,   th e   in c r ea s ed   im p e d an ce   cu ts   o f f   t h is   co n d u ctio n ,   wh ich   s h if ts   th e   ef f ec tiv e  elec tr ical   len g th   o f   th e  p atch   an d   m o d if ies  its   r eso n an ce .   T h is   m ec h an is m   en ab les  p r ec is e  tu n in g   o f   th e  an te n n a’ s   elec tr o m ag n etic  p e r f o r m an ce .   T h e  s u r f ac e  im p ed a n ce   v alu e s   co r r esp o n d in g   to   th e  ON  an d   OFF  s tate s   ar e  ca lcu lated   u s in g   ( 4 )     to   ( 9 )   [ 1 7 ] .     = 0    ( 4 )     = ℏ   √    ( 5 )     = 4 ℏ 2 ℎ 2 √    2   ( 6 )     = ℏ √    ( 7 )     1 = 1 + 1   ( 8 )     = 1 ( , , , ) =    ℏ 2 ( − ( + ) ) 2 ( ) [ + 2 ( − µ + 1 ) ]   ( 9 )     W h er e  η   is   th e  ca r r ier   d en s ity   in   ( m - 2 ) ,   = 7 . 6 × 10 − 7    2 ⁄   is   th e  two - d im en s io n al  m ass   d en s ity   o f   g r ap h e n e,   ℎ = 2 . 1 × 10 4 ⁄   is   th e  s o u n d   v elo ci ty   o f   lo n g itu d in al  ac o u s tic  p h o n o n s   in   g r a p h en e,     is   th e   d ef o r m atio n   p o ten tial  in   ( eV ) ,   μ L   is   th e  elec tr o n   m o b ilit y   i n   ( m 2 . ( V. s ) - 1 ) ,   τ L   is   d u e  to   l o n g - r an g e  s ca tter in g   m ec h an is m s   s u ch   as  d e f ec ts   an d   in   p u r ities ,   an d   τ s   is   d u e   to   s h o r t - r an g e   s ca tter in g   m e ch an is m s   s u ch   as   p h o n o n   an d   ca r r ie r   in ter ac tio n s .   T h e  v alu es  o f   s u r f ac e  im p e d a n ce   Z s   f o r   th e  ON  a n d   OFF  s tates  ar e  o b tain ed   f r o m   ( 9 ) .   I n   th is   s tu d y ,   th ese  two   s tate s   ar e  ac h iev ed   with o u t  th e  u s e  o f   d is cr ete  R F  s witch es.  I n   C ST,   g r ap h e n e  is   m o d eled   as  a   tu n ab le  o h m ic   s u r f ac e   im p ed a n ce   co n tr o lled   b y   th e   g ate   v o l tag e  V g .   Hig h   an d   lo w  c o n d u c tiv ity   co r r esp o n d s   to   th e  ON  an d   OF F  s ta tes,  r es p ec tiv ely .   C o n s eq u en tly ,   th e  r esu ltin g   f r eq u en c y   r esp o n s es  ar is e  d ir ec tly   f r o m   th e  elec tr ical  m o d u latio n   o f   th e  g r ap h e n e  p r o p er ties .   Fig u r e  2   illu s tr ates  th e  s im u lated   s u r f ac e  cu r r e n t   d is tr ib u tio n   o f   th e  g r a p h en e - s lo tted   p atch   an ten n a  at  th e  r eso n an t  f r eq u e n cy ,   an d   th e  co r r esp o n d in g   im p ed an ce   p ar am eter s   ar e  s u m m ar ized   in   T a b le  3 .   T h e  s u r f ac e  cu r r en t  d is tr ib u tio n   at  9 . 4 6   GHz   ex h i b its   s tr o n g   co n f in em en t  a n d   ef f ec tiv e   g u id an ce   alo n g   th e  h ex a g o n al  p atch .   T h is   b eh av io r   clea r ly   h ig h lig h ts   th e  s tr u ctu r al  in f lu en ce   o f   th e  g r ap h e n e  s lo ts .   As   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Sub - X - b a n d   r ec o n fig u r a b le  a n ten n a   n etw o r k  w ith   g r a p h en e   s lo ts   …   ( Ha s s n a   A g o u mi )   1253   ex p licitly   s h o wn   in   Fig u r e  2 ( a) ,   W h en   g r ap h en e  is   in   th e  ON  s tate,   it  ex h ib its   a  lo w  s u r f ac e  im p ed an ce     Z s = 6 . 09 + j0 . 5   Ω .   T h e  h ig h   s u r f ac e  cu r r en t  d e n s ity   o b s er v ed   in   th e  s lo ts   u n d e r   th is   co n d itio n ,   v alid ates  th e  im p r o v em e n t  o f   elec tr o m ag n e tic  co n d u ctio n .   C o n s eq u en tl y ,   th e  r ad iatio n   e f f icien cy   im p r o v es,  th e  r eso n a n ce   m ec h an is m   s tr en g th en s ,   an d   th e  b an d wid th   wid e n s .   T h e  r e s u ltin g   cu r r en t  d is tr ib u tio n   is   b o th   u n if o r m   an d   ap p r o p r iately   o r ie n ted ,   d e m o n s tr atin g   co h er en t i n ter ac tio n   a m o n g   t h e  p atch ' s   d is tin ct  r eg io n s .   C o n v er s ely ,   Fig u r e  2 ( b )   d em o n s tr ates  th at  i n   th e  OFF  s ta te,   g r ap h e n e' s   h ig h   s u r f ac e  im p ed an c e     Z s = 1552 + j1 . 8   Ω ,   elec tr ically   d ea ctiv ates  th e  s lo ts   an d   r en d er s   th eir   r a d iativ e  co n tr ib u tio n   n eg lig i b le.   Su r f ac e  cu r r en ts   th e n   co n ce n tr ate  o n   th e   m ain   p atch ,   wea k en in g   co u p lin g   a n d   r e d u cin g   b an d wid th   en h an ce m e n t.  T h ese  d is tr ib u tio n s   p r o v id e  p h y s ical  in s ig h t  in to   th e  r ad iatio n   m ec h a n is m ,   v alid atin g   th e   elec tr o m ag n etic  co n s is ten cy   o f   th e  s im u latio n s .         ( a )   ( b )     Fig u r e  2 .   Su r f ac e  cu r r en t d is tr ib u tio n   o f   th e  g r ap h e n e - s lo tted   p atch   a n ten n a  at  9 . 4 6   GHz : ( a)   g r ap h en e  ON  s tate  an d   ( b )   g r ap h en e  OFF s tate       T ab le  3 .   Selecte d   p a r am eter s   o f   th e  g r ap h e n e  s u r f ac e  im p ed an ce   f o r   ON  an d   OFF s tates   S t a t e   O N   st a t e   O F F   st a t e   G a t e - v o l t a g e   V g   (V)   21   0 . 0 5   Te mp e r a t u r e   T  ( k )   3 0 0   3 0 0   C a r r i e r   c o n c e n t r a t i o n   η   ( m - 2 )   5 . 8 × 10 17   6 × 10 14   G r a p h e n e   S u r f a c e   i mp e d a n c e   Zs( Ω / □ )   6 . 09 + j0 . 5   1552 + j1 . 8       2 . 5 .     M o delin g   o f   t he  4 × 4   hex a g o na l pa t ch  a rr a y   T h e  4 ×4   ar r ay   to p o lo g y   was  s elec ted   a s   th e  o p tim al  c o m p r o m is e  b etwe en   p er f o r m an ce   an d   p r ac ticality .   Sm aller   ar r ay s   lack   s u f f icien t  ap er tu r e  a n d   g a in   in   th e  X‑ b an d ,   wh ile  lar g er   ar r ay s   in tr o d u ce   ex ce s s iv e  s ize,   s tr o n g er   co u p lin g ,   an d   g r ea ter   f ee d i n g   c o m p lex ity .   T h e  ad o p ted   la y o u t  th u s   co m b in es  co m p ac tn ess   an d   s y m m etr y   w ith   s tab le  r ad iatio n ,   co n t r o lled   s id e  lo b es,  an d   en h an ce d   b an d wid th ,   m ak in g   it  id ea l f o r   in tellig en t a n ten n a  s y s tem s .   I n ter ‑ elem en t  s p ac i n g   is   a  k e y   d esig n   p ar am eter   in   ar r ay   a n ten n as.  E x ce s s iv e  s ep ar atio n   g en er ates  g r atin g   lo b es,  wh er ea s   in s u f f i cien t  s p ac in g   wid en s   th e  m ai n   b ea m   an d   in cr ea s es  m u tu al  c o u p lin g .   Ver y   tig h t  s p ac in g   also   co m p licates  f ee d i n g   n etwo r k   in teg r atio n .   Hen ce ,   th e  in ter   elem en t d is tan ce   m u s t  b e  o p tim ized   to   b alan ce   r ad iatio n   p er f o r m a n ce   with   p r ac tical  f ea s ib ilit y   [ 1 8 ] .   An   in ter - elem en t  s p ac in g   o f   1 . 2 λ ,   s elec ted   alo n g   th e  x   an d   y   ax es,  s er v es  to   cr ea te  th e  p r o p o s ed   4 ×4   ar r ay   b y   r ep licatio n   o f   th e   o p tim ized   s in g le   r a d iatin g   e lem en t.  I n cr ea s ed   d ir ec tiv ity   an d   g ain ,   with   a   co n tr o lled   s ize:  th is   s p ac in g   e n s u r es c o m p atib ilit y   with   r a d a r   an d   wir eless   s y s tem s .   A  wav eg u id e  p o r t,  p o s itio n ed   at  th e  in p u t  o f   th e   s tr u ctu r e,   en s u r es  p r o p er   ex citatio n   o f   th e  ar r ay .   T h e  f r eq u en cy   r esp o n s e,   th e   g ain   an d   th e  r ad iatio n   b eh a v io r   o f   th e  ar r a y   ar e  e v alu at ed   u s in g   f u ll - wav e   elec tr o m ag n etic  s im u latio n s .   Fig u r e  3   p r esen ts   th e  f in al  lay o u t o f   t h e  o p tim ized   4 ×4   a n te n n a  ar r a y .     All  elec tr o m ag n etic  s im u latio n s   ar e  p er f o r m e d   u s in g   th e  ti m e - d o m ain   s o lv er .   T h e  a n ten n a  is   ex cited   v ia  a  5 0   Ω   wa v eg u id e   p o r t,  a n d   o p en   ( r ad iatio n )   b o u n d ar y   co n d itio n s   ar e   ap p lied . to   em u l ate  th e  p r o p ag atio n   in   f r ee   s p ac e.   An   ad ap tiv e  m esh   r ef in em en t  s tr ateg y   is   em p lo y ed   to   e n s u r e  n u m er ic al  co n v er g e n ce .   T h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   1 6 ,   No .   3 ,  J u n e   20 2 6 :   1 2 4 9 - 1 2 6 0     1254   an ten n a  p er f o r m a n ce   is   ev alu ated   in   ter m s   o f   r ef lectio n   c o ef f icien t  ( S1 1 ) ,   im p ed a n ce   b an d wid th ,   r ea lized   g ain ,   an d   r ad iatio n   p atter n s .           Fig u r e  3 .   C o r p o r ate  f ee d in g   n etwo r k   ar ch itectu r e   o f   t h e  p r o p o s ed   4 ×4   h ex a g o n al  p atch   an ten n a  f o r   u n if o r m   p o wer   d is tr ib u tio n       Fab r icatio n   f ea s ib ilit y   o f   th e  p r o p o s ed   an ten n a  is   s u p p o r te d   b y   r ec e n t  s tu d ies  in   liter atu r e .   I t  h as  b ee n   d e m o n s tr ated   t h at  g r a p h en e  ca n   b e  s y n th esized   b y   ch em ical  v ap o r   d ep o s itio n   ( C VD) ,   tr an s f er r e d   o n to   d ielec tr ic  s u b s tr ates,  an d   p atter n ed   u s in g   lith o g r ap h y   tech n iq u es  s u itab le  f o r   R F  ap p licatio n s .   Ho wev er   f ab r icatio n   to ler an ce s   m ay   af f ec t  th e  r eso n an t  f r eq u en c y ,   i m p ed an ce   m atch in g ,   an d   g ai n   [ 1 9 ] .   Fu r th er m o r e,   th e  p er f o r m a n ce   o f   g r ap h en e - b ased   an te n n as  h as   b ee n   s h o wn   to   d ep e n d   o n   m ater ial   p r o p er ties   s u c h   as  s u r f ac e  co n d u ctiv ity ,   p o s t - tr a n s f er   u n i f o r m ity ,   an d   m etal - g r ap h en e   co n tact  r esis tan ce ,   y et  it  r em ain s   r o b u s t   u n d er   r ea lis tic  f ab r icatio n   c o n d itio n s   [ 2 0 ] .  E x p e r im en tal  f ab r icatio n   an d   c h ar ac ter izatio n   t h er ef o r e   co n s titu te  n atu r al  d ir ec tio n s   f o r   f u tu r e  w o r k .       3.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N   I n   th is   s ec tio n ,   th e  s im u lated   r esu lts   o f   th e  p r o p o s ed   an te n n as  ar e  p r esen ted   an d   d is cu s s ed .   T h ese   r esu lts   ar e  o b tain ed   f r o m   f u l l - wav e  elec tr o m ag n etic  s im u l atio n s   co n d u cted   u n d er   v alid ated   an d   r ea lis tic   m o d elin g   co n d itio n s .   T h e y   in clu d e  th e  r ef lectio n   c o ef f icien t,  g ain ,   a n d   r ad iatio n   p atter n s   f o r   b o th   th e   s in g le   h ex ag o n al  p atch   elem e n t a n d   th e  4 ×4   a r r ay ,   co n s id er in g   th e  g r ap h e n e  OFF an d   ON  co n f ig u r atio n s .     3 . 1 .     Sin g le  hex a g o na l pa t ch  a nte nn a   Fig u r e  4   s h o ws  th e  r ef lectio n   co ef f icien t  S1 1   o f   th e  p r o p o s ed   an ten n a.   Gr ap h e n e  s lo t  i n teg r atio n   im p r o v es  im p ed a n ce   m atch in g   an d   in cr ea s es  th e  o p er atin g   b an d wid th   co m p ar ed   with   th e  co p p er   r ef e r en ce .   E lectr ical  b iasi n g   in d u ce s   a   f r eq u en c y   s h if t   o f   ab o u t  3 0   M Hz  b etwe en   t h e  ON  a n d   OFF  s tates,  co n f ir m i n g   f r eq u e n cy   r ec o n f ig u r ab ilit y .   T h e  ON  s tates  4 0 0   MH z  b an d wid th   s er v es  as  co n f ir m atio n   o f   g r a p h en e' s   d u al  f u n ctio n ality : im p r o v i n g   b a n d wid th   an d   e n ab lin g   f r eq u en cy   r ec o n f ig u r ab ilit y   at  th e   s am e  tim e.           Fig u r e  4 .   C o m p a r is o n   b etwe e n   th e  S₁₁  r esp o n s es o f   th e  co p p er   r ef er e n ce   an d   th e  g r a p h en e - b ased   an ten n a  i n   ON  an d   OFF s tate   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Sub - X - b a n d   r ec o n fig u r a b le  a n ten n a   n etw o r k  w ith   g r a p h en e   s lo ts   …   ( Ha s s n a   A g o u mi )   1255   Fig u r e  5   illu s tr ates  th e  g ain   ac h iev ed   b y   t h e  co p p er   an d   g r ap h e n e - b ased   an te n n a  co n f i g u r atio n s ,   alo n g s id e  th at   o f   a  c o n v e n tio n al  co p p e r   a n ten n a.   T h a n k s   to   g r ap h e n e  s lo t  in te g r atio n ,   b o th   p ea k   g ain   an d   g ai n   s tab ilit y   ar e  im p r o v ed   ac r o s s   th e  o p er atin g   b an d .   T h e  OFF  s tate   p r o v id es  h ig h er   g ain   lev els  o v er   a  wid er   f r eq u e n cy   r an g e,   wh ile  th e  O N  s tate  ac h iev es  th e  h ig h est  g ain   p er f o r m an ce ,   r ea ch in g   a p p r o x im ately   6   d B .   T h e  f in d in g s   s h o w  th at  g r ap h en e  p r o v id es  im p r o v ed   r ad iat io n   p er f o r m an ce   w h ile  s im u ltan eo u s ly   en ab lin g   elec tr ical  g ain   co n tr o l.           Fig u r e  5 .   Gain   f o r   t h e  co p p er - an ten n a  an d   th e  g r ap h e n e - b as ed   an ten n a   in   ON  an d   OFF s ta tes       T h e  s im u lated   H‑ p lan e  f ar ‑ f ield   r ad iatio n   p atter n s   o f   t h e  co p p er   a n d   g r a p h en e ‑ b ase d   an ten n a  co n f ig u r atio n s   ar e  r ep o r ted   i n   Fig u r e  6 .   Sp ec if ically ,   Fig u r e  6 ( a)   illu s tr ates  th e  r ad iat io n   p atter n   o f   th e  co n v en tio n al  co p p er   an ten n a ,   wh ich   s er v es  as  a  b aselin e.   T h e   g r a p h en e - b ased   a n ten n a  o f f er s   h ig h er   d ir ec tiv ity   wh ile  p r eser v in g   a  b ea m wid th   co m p a r ab le  to   th at   o f   th e  co p p er   r ef e r en ce ,   as  clea r ly   d em o n s tr ated   b y   th e  p atter n s   f o r   th e  OFF  an d   ON  s tates  in   Fig u r e  6 ( b )   an d   Fig u r e  6 ( c) ,   r esp ec tiv ely .   T h e  s lig h t   m o d if icatio n   o f   r ad iatio n   ch ar ac ter is tics   u n d e r   ele ctr ical  b iasi n g   d e m o n s tr at es  th at  f r e q u en c y   r ec o n f ig u r ab ilit y   is   ac h iev ed   with o u t  s ig n if ican tly   d is to r tin g   th e  b ea m .   T h e  f in d in g s   co n f ir m   th at  g r a p h en e   in teg r atio n   im p r o v es d i r ec tiv ity   wh ile  p r eser v in g   p atter n   s tab ilit y .             ( a)   ( b )   ( c)     Fig u r e  6 .   C o m p a r is o n   o f   th e  r ad iatio n   d iag r a m s   ( H - p lan e)   o b tain ed   b y   s im u latio n   f o r   th e  c o p p er   a n ten n a  a n d   th e  g r ap h en e  an te n n a  in   its   tw o   o p er atin g   s tates : ( a)   co n v e n t io n al  co p p er   an ten n a  as a   r ef e r en ce ,   ( b )   g r a p h en e  an ten n a  in   t h e  OFF s tate,   an d   ( c)   g r a p h en e  a n ten n a  i n   th e  O N  s tate       3 . 2 .     4 × 4   hex a g o na l pa t ch  a r ra y   Fig u r e   7   s h o ws  th e  r ef lectio n   co ef f icien t  S1 1   o f   th e   p r o p o s ed   g r ap h en e - b ased   4 ×4   ar r a y .   A  wid e   o p er atin g   b an d wid th   is   attr ib u ted   to   th e  p r esen ce   o f   m u ltip le  r eso n an t  m o d es.  A  b an d wid t h   o f   ap p r o x im atel y   3 8 0   MH z  is   attain ed   in   th e  O N  s tate,   r ep r esen tin g   a  2 6 %  i n cr ea s e  r elativ e  to   th e  3 0 0   M Hz  o b s er v ed   in   t h e  OFF  s tate.   T h e  two   s tates  ex h ib it  a  f r eq u en cy   s h if t  o f   ap p r o x im ately   8 0   MH z,   th er e b y   c o n f ir m in g   th e  ar r ay ' s   r ec o n f ig u r ab le  b eh av i o r .   T h ese  f in d in g s   co n f ir m   th at  in te g r atin g   g r a p h en e   en h a n ce s   b an d wid th   an d   p r o v id es   tu n ab le  o p er atio n   at  t h e  ar r a y   l ev el.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   1 6 ,   No .   3 ,  J u n e   20 2 6 :   1 2 4 9 - 1 2 6 0     1256   T h e  g ain   p e r f o r m an ce   o f   th e  4 ×4   ar r a y   is   d ep icted   in   Fig u r e  8 .   Ar o u n d   9 . 2 5   GHz ,   t h e  OFF  s ta te   d eliv er s   a  p ea k   g ain   o f   a b o u t  1 1 . 8   d B .   B y   co n tr ast,  ac tiv atin g   th e  ON  s tate  en h an ce s   th e  g ain   at  h ig h e r   f r eq u e n cies,  with   a  m ax im u m   v alu e  o f   1 3 . 0 8   d B   r ec o r d ed   at   9 . 9   GHz .   T h ese  f in d in g s   co n f ir m   th e  ef f icac y   o f   th e  p r o p o s ed   ar r ay   ar c h itectu r e.   Fig u r e  9   s h o ws th e  f ar - f ield   r a d iatio n   p atter n   o f   th e  4 ×4   ar r a y   at  9 . 9   GHz .   T h e  m ain   b ea m   is   d ir ec ted   clo s e  to   b r o a d s id e  an d   p r o v id es  a  h ig h   d ir ec tio n al  g ain   o f   a b o u t  1 1 . 5   d B .   T h e  s id elo b e   lev els  r em ain   lim ited   to   ap p r o x im ately   – 6 . 7   d B ,   w h ich   is   ac ce p tab le  f o r   a   co m p ac t   p lan ar   ar r ay .   T h is   b e h av io r   r e f lects  th e  tr ad e - o f f   b etwe en   g ain   e n h an ce m e n t  an d   s id e - lo b e  co n tr o l  ass o ciate d   with   th e  ch o s en   in ter - elem en t  s p ac in g   o f   a b o u t   1 . 2   wav elen g th s .   Ov er all,   th e   r esu lts   co n f ir m   th at  th e  s elec ted   ar r ay   co n f ig u r atio n   ac h ie v es  h ig h   g ai n   wh ile  m ain tain in g   co n tr o lled   r ad iatio n   ch ar ac te r is tics .           Fig u r e  7 .   R ef lectio n   c o ef f icien t S1 1   o f   th e   4 ×4   h ex ag o n al  p a tch   an ten n a  a r r ay   ( g r a p h en e  O N/OFF s tates)           Fig u r e  8 .   Fre q u en cy   d ep e n d en t g ain   o f   t h e  4 ×4   h ex a g o n al  p a tch   an ten n a  a r r ay   ( g r a p h en e  O N/OFF s tate)           Fig u r e  9 .   Dir ec tiv ity   p atter n   o f   th e  4 ×4   h ex a g o n al  p atch   an t en n a  ar r a y   at  9 . 9   GHz   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Sub - X - b a n d   r ec o n fig u r a b le  a n ten n a   n etw o r k  w ith   g r a p h en e   s lo ts   …   ( Ha s s n a   A g o u mi )   1257   T h e  g ai n   im p r o v em en t   o b tain ed   with   t h e  4 ×4   n etwo r k   is   m o r e  th a n   twice   th at  o f   th e  s in g le  elem en t ,   with o u t  alter in g   th e  im p ed a n ce   b an d wid th .   Mo r eo v e r ,   th e  ar r ay   r esp o n s e  is   ch ar ac ter ized   b y   m u ltip le   r eso n an t  m o d es,  wh ich   co n t r ib u te  to   im p r o v ed   f r eq u en c y   co v e r ag e  in   th e  s u b - X - b a n d .   T h ese  r esu lts   d em o n s tr ate  th at  th e   ch o s en   a r r ay   c o n f i g u r atio n   p r o v i d es  an   ef f ec tiv e   co m p r o m is e  b etwe en   g ain ,   b an d wid th ,   ar r ay   ef f icien cy ,   a n d   s id elo b e  p er f o r m an ce .   Un lik e  th e  m ajo r ity   o f   e x is tin g   s tu d ies,  wh ich   ar e  p r im a r ily   r estricte d   to   s in g le  r ec o n f ig u r a b le  an ten n a  elem en ts ,   th e  p r esen t  wo r k   d em o n s tr ates  th e  ex te n s io n   o f   g r ap h e n e  tu n a b ilit y   to   a  co m p ac t  4 ×4   p lan ar   ar r a y ,   wh ile  p r eser v in g   r ec o n f ig u r ab ilit y   at  th e  ar r a y   lev el  an d   en ab lin g   g ain   en h an ce m en t  with o u t  th e  u s e  o f   d is cr ete  R F  s witch es  o r   co m p lex   b iasi n g   n etwo r k s .   T h is   ap p r o ac h   r ep r esen ts   a  s ca lab le  an d   p r ac tically   v iab le  s o lu tio n   f o r   g r ap h e n e  r e co n f ig u r ab le  an te n n a  ar r ay s   o p er atin g   in   t h e  s u b - X - b an d .     3 . 3 .     P er f o r m a nce  co m pa riso n wit h pre v io us   s t u dies   3 . 3 . 1 .   Sin g le  hex a g o na l pa t c h a nte nn a     T ab le  4   c o m p ar es  th e   p r o p o s ed   an ten n a  with   r ec e n t  s tate - of - th e - a r t  r ec o n f ig u r ab le  d esi g n s .   W h ile  ac tiv e  an ten n as  u s in g   PIN   d i o d es  ac h iev e   wid e   b an d wid th s   o r   m u lti - b an d   o p er atio n   [ 2 1 ] – [ 2 3 ] ,   th ey   r eq u ir e   co m p lex   b iasi n g   n etwo r k s   an d   co n s u m e  DC   p o we r .   I n   co n tr ast,  th e  p r o p o s ed   h e x ag o n al  p atch   an ten n a  with   g r ap h e n e  s lo ts   p r o v id es  p ass iv e  f r eq u en cy   s elec tiv ity   ce n ter ed   at  9 . 4 2   GHz   with in   th e  s u b - X - b a n d .   I t   ac h iev es  a  p ea k   g ain   o f   6   d B ,   co m p a r ab le  to   th e   6 . 7   d B   o f   [ 2 1 ]   b u t   with   s ig n if ican tly   lo wer   im p lem en tatio n   co m p lex ity   an d   ze r o   DC   p o wer   co n s u m p tio n .   Alth o u g h   i ts   im p ed an ce   b an d wid th   ( 4 0 0   MH z)   is   n ar r o wer   th an   s o m e  ac tiv e  d esig n s ,   th is   s elec tiv ity   i s   ad v an tag eo u s   f o r   in ter f er e n ce   r ejec tio n   in   f ix ed - f r eq u e n cy   X - b an d   a p p licatio n s ,   m ak i n g   i t id ea l f o r   c o m p ac t,  lo w - c o s t,  an d   en er g y - e f f icien t w ir eless   s y s tem s .       T ab le  4 .   C o m p a r is o n   o f   th e  p r o p o s ed   s in g le  h e x ag o n al  p atch   an ten n a  with   r e p o r te d   r ec o n f i g u r ab le  a n ten n as   Refere n c e   T ec h n o l o g y   Res o n a n t   Freq u e n c y   (G H z)   Imp ed an ce  Ban d w i d t h   ( M H z)   Pea k   g a i n   (d B)   Rec o n fi g u ra b i l i t y   Imp l e me n t a t i o n   co m p l e x i t y   [2 1 ]   Ci rc u l ar   frac t a l   p a t c h   w i t h   PIN   d i o d es   1 0 . 2 2   6 7 0   6 . 7   act i v e   H i g h   (d i o d e  +   b i as   l i n e s   [2 2 ]   Pat c h   a n t e n n a   w i t h   t w o   PI N   d i o d e s   2 . 4 4   2 . 4 7   30   4 . 8   act i v e   Med i u m   (2   PIN +   mi cr o - c o n t ro l l er )   [2 3 ]   U W B   frac t a l   an t e n n a  w i t h   p l u s - s h ap ed   p ara s i t i c   el e me n t s   a n d   2   PI N   d i o d e s   4 . 7 ,   7 . 9 2 ,   1 0   6 5 7 0   5 . 8 3   act i v e   Med i u m   PIN   d i o d es   T h i s   w o r k   H e x a g o n al   p at ch   a n t en n a   w i t h   g ra p h e n e   s l o t s   9 . 4 2   9 . 4 3   4 0 0   6   p a s s i v e   L o w   ( n o   ac t i v e  el e me n t s )       3 . 3 . 2 .   4 × 4   hex a g o na l pa t ch  a rr a y   A  co m p ar is o n   b etwe en   th e   p r o p o s ed   4 ×4   h e x ag o n al  g r ap h e n e - s lo tted   p atch   a r r ay   an d   r ec en t  m u lti - elem en t  an ten n a  ar r ay s   is   p r esen ted   in   T ab le  5 .   A  p ea k   g ain   o f   1 3 . 0 8   d B   is   ac h iev ed   at  9 . 3 0   GHz   with in   th e   s u b ‑ X - b an d   b y   th e  p r o p o s ed   d esig n ,   wh ich   s im u ltan eo u s ly   o f f er s   two   d is tin ct  ad v an tag es.  T h e  d esig n   in teg r ates  1 6   r ad iatin g   elem e n ts   in   a  c o m p ac t   h ex a g o n al   lay o u t,  f ar   m o r e   th an   th e   4   elem en ts   u s ed   in   ty p ical   h ig h - g ai n   ar r ay s .   T h e  im p r o v e m en t in   ap er tu r e  e f f icien cy   a n d   b ea m f o r m in g   is   d ir ec tly   attr i b u ted   to   th e  h i g h er   elem en t  d en s ity .   W h ile  n ar r o wer   th an   m an y   u ltra ‑ wid e b an d   an ten n as,  th e   3 8 0   MH z  b an d wid th   r esu lts   f r o m   a   co n s cio u s   tr ad e‑ o f f   to   m a in tain   f r eq u en cy   s elec tiv ity .   Gr ap h e n e  s lo ts   en ab le  p ass iv e  f r eq u e n c y   r ec o n f ig u r ab ilit y ,   th e r eb y   r e m o v in g   t h e  n ee d   f o r   ac tiv e  c o m p o n en ts   an d   lo wer i n g   b o t h   s y s tem   co m p lex ity   an d   DC   p o wer   co n s u m p tio n .   T h is   d esig n   attr ib u tes  eq u al  weig h t  to   ar ch itectu r al  s im p licity ,   g ain ,   elem en t   d en s ity ,   an d   f r eq u en cy   r elev an ce ,   th u s   av o id i n g   an y   ex clu s iv e  f o cu s   o n   a  s in g le  p e r f o r m an ce   cr iter io n .       T ab le  5 .   C o m p a r is o n   o f   th e  p r o p o s ed   4 × 4   h e x ag o n al  p atch   a r r ay   with   r e p o r ted   m u lti ele m e n t a n ten n a  a r r ay s   Refere n c e   T ec h n o l o g y   Res o n a n t   Freq u e n c y   (G H z)   Imp ed an ce  Ban d w i d t h   ( M H z)   Pea k   g a i n   (d B)   N u m b er   o f   el e me n t s   [2 4 ]   D u a l - b an d   ca s ca d e d   p a t c h   an t e n n a  arra y   w i t h   CSRR     3 . 1   4 . 4   2 1 0   5 . 6 9   16   [2 5 ]   D u a l - b an d   d i p o l e   arr ay   a n t en n a   w i t h   fan - b e am  ch arac t er i s t i c s   9 . 0 8   9 . 6 6   5 8 0   1 1 . 3 0   4   [2 6 ]   Mu l t i p o rt   p at ch   a n t en n a   f o r  2 - D   b e am  s y n t h es i s   2 7 . 5   2 8 . 5   1 0 0 0   9   8   [2 7 ]   D u a l   c i rc u l ar l y   p o l ar i z ed   p at ch   arr ay   w i t h   o r t h o g o n al   fe ed   10   1 3 2   1 2 . 8 7   4   T h i s   w o r k   G rap h e n e - s l o t t e d   4 × 4   h ex ag o n a l   p a t c h   an t e n n a  ar ra y   9 . 3 0   9 . 5 5   9 . 7 8   3 8 0   1 3 . 0 8   16   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   1 6 ,   No .   3 ,  J u n e   20 2 6 :   1 2 4 9 - 1 2 6 0     1258   4.   CO NCLU SI O N   W h ile  co n v en tio n al  c o p p er   d esig n s   ar e   ch ar ac ter ized   b y   lim ited   a d ap tab ilit y ,   th e  i n teg r atio n   o f   g r ap h e n e  s lo ts   in   th e  p r o p o s ed   h ex ag o n al  p atc h   an ten n a  o f f er s   im p r o v ed   im p ed an ce   m atch in g ,   ex te n d ed   b an d wid th ,   an d   h ig h er   g ain .   T h e  s in g le - elem en t   co n f ig u r a tio n ,   o p er atin g   in   t h e  s u b ‑ X - b an d   ( 9 – 1 0   GHz ) ,   ex h ib its   a  b an d wid th   o f   4 0 0   MH z  an d   a  p ea k   g ain   o f   6   d B .   W h en   ex ten d ed   to   a  4 ×4   p lan ar   ar r a y ,   th e   g r ap h e n e - b ased   s tr u ctu r e  d eli v er s   a  b an d wid t h   o f   3 8 0   MH z  an d   a  g ai n   o f   a p p r o x im ately   1 3   d B ,   all  th e  wh ile   m ain tain in g   a  co m p ac t  an d   l ig h tweig h t  f o o tp r in t.  T h e  m a in   lim itatio n s   ar e  th e  r elian c e  o n   s im u latio n s ,   s im p lifie d   g r a p h en e   m o d elin g ,   an d   t h e  ab s en ce   o f   ex p er i m en tal  v alid atio n   an d   p r ac ti ca l  b iasi n g .   Fu t u r e  r esear ch   will  f o cu s   o n   an ten n a  f ab r icatio n   an d   m ea s u r em e n ts ,   as  wel l  as   o n   th e  in v esti g atio n   o f   r ea l - tim e   elec tr ical  tu n ab ilit y   o f   g r ap h e n e  p ar am eter s   u s in g   d y n am ic  b iasi n g   s ch em es.       ACK NO WL E DG M E N T S   T h e  au th o r s   wo u ld   lik e  to   th a n k   th eir   in s titu tio n   f o r   p r o v id i n g   th e  f ac ilit ies  n ec es s ar y   to   co n d u ct  th is   r esear ch .       F UNDING   I NF O R M A T I O N   T h e  au th o r s   d ec lar e  th at  n o   f u n d in g   was r ec eiv e d   f o r   th is   wo r k .       AUTHO R  CO NT RI B UT I O NS ST A T E M E N T   T h is   jo u r n al  u s es  th e  C o n tr ib u to r   R o les  T ax o n o m y   ( C R ed iT)   to   r ec o g n ize  in d iv id u al  au th o r   co n tr ib u tio n s ,   r ed u ce   au th o r s h ip   d is p u tes,  an d   f ac ilit ate  co llab o r atio n .     Na m e  o f   Aut ho r   C   M   So   Va   Fo   I   R   D   O   E   Vi   Su   P   Fu   Hass n a  Ag o u m i   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓     ✓   ✓   ✓   ✓         Sed d ik   B r i   ✓   ✓     ✓   ✓     ✓       ✓     ✓       Yo u s s ef   E l A m r ao u i         ✓                 ✓   ✓     Ad il Saa d i   ✓   ✓     ✓             ✓     ✓         C   :    C o n c e p t u a l i z a t i o n   M   :    M e t h o d o l o g y   So   :    So f t w a r e   Va   :    Va l i d a t i o n   Fo   :    Fo r mal   a n a l y s i s   I   :    I n v e s t i g a t i o n   R   :    R e so u r c e s   D   :   D a t a   C u r a t i o n   O   :   W r i t i n g   -   O r i g i n a l   D r a f t   E   :   W r i t i n g   -   R e v i e w   &   E d i t i n g   Vi   :    Vi su a l i z a t i o n   Su   :    Su p e r v i s i o n   P   :    P r o j e c t   a d mi n i st r a t i o n   Fu   :    Fu n d i n g   a c q u i si t i o n         CO NF L I C T   O F   I N T E R E S T   ST A T E M E NT   T h e  au th o r s   d ec lar e  th at  th e y   h av e  n o   co n f lict o f   in ter est.       DATA AV AI L AB I L I T Y   T h e  au th o r s   co n f ir m   th at  th e   d ata  s u p p o r tin g   th e  f in d in g s   o f   th is   s tu d y   ar e  av ailab le  with in   th e   ar ticle.       RE F E R E NC E S   [ 1 ]   S .   M .   N i mm a g a d d a ,   S .   F .   A h a me d ,   a n d   V .   K .   P a d a r t i ,   “ A   c o m p r e h e n si v e   r e v i e w   o n   mass i v e   M I M O   sy st e ms  f o r   6 G   a n d   b e y o n d   n e t w o r k s  u si n g   M L  a n d   D L  t e c h n i q u e s, ”   Wi r e l e ss  P e rs o n a l   C o m m u n i c a t i o n s ,   v o l .   1 4 4 ,   n o .   1 – 2 ,   p p .   2 7 5 – 3 1 2 ,   S e p .   2 0 2 5 ,   d o i :   1 0 . 1 0 0 7 / s 1 1 2 7 7 - 0 2 5 - 1 1 8 5 0 - z.   [ 2 ]   A .   S a k k a s  e t   a l . ,   “ A   f r e q u e n c y   se l e c t i v e   r e c o n f i g u r a b l e   a n t e n n a   f o r   w i r e l e ss  a p p l i c a t i o n s  i n   t h e   S   a n d   C   b a n d s, ”   S e n s o rs  ( B a se l ,   S w i t z e rl a n d ) ,   v o l .   2 3 ,   n o .   2 1 ,   p .   8 9 1 2 ,   N o v .   2 0 2 3 ,   d o i :   1 0 . 3 3 9 0 / s2 3 2 1 8 9 1 2 .   [ 3 ]   I .   Ed d i n e   La mr i   e t   a l . ,   “ D e s i g n   a n d   d e v e l o p m e n t   o f   a   g r a p h e n e - b a se d   r e c o n f i g u r a b l e   p a t c h   a n t e n n a   a r r a y   f o r   T H z   a p p l i c a t i o n s, ”   Fre q u e n z ,   v o l .   7 7 ,   n o .   3 – 4 ,   p p .   2 1 9 – 2 2 8 ,   J u l .   2 0 2 3 ,   d o i :   1 0 . 1 5 1 5 / f r e q - 2 0 2 2 - 0 0 5 1 .   [ 4 ]   A .   G .   A l h a r b i   a n d   V .   S o r a t h i y a ,   “ U l t r a - w i d e b a n d   g r a p h e n e - b a se d   m i c r o   si z e d   c i r c u l a r   p a t c h   sh a p e d   y a g i   l i k e   M I M O   a n t e n n a   f o r   t e r a h e r t z   w i r e l e ss   c o mm u n i c a t i o n , ”   E l e c t r o n i c s  ( S w i t z e rl a n d ) ,   v o l .   1 1 ,   n o .   9 ,   p .   1 3 0 5 ,   A p r .   2 0 2 2 ,   d o i :   1 0 . 3 3 9 0 / e l e c t r o n i c s 1 1 0 9 1 3 0 5 .   [ 5 ]   K .   A l i q a b ,   M .   A l s h a r a r i ,   V .   S o r a t h i y a ,   a n d   A .   A r mg h a n ,   “ A   n u meri c a l   i n v e st i g a t i o n   o f   g r a p h e n e - b a se d   h i l b e r t   sh a p e d   mu l t i - b a n d   M I M O   a n t e n n a   f o r   t h e   t e r a h e r t z   s p e c t r u m a p p l i c a t i o n s, ”   S e n so rs ,   v o l .   2 3 ,   n o .   1 ,   p .   3 7 ,   D e c .   2 0 2 3 ,   d o i :   1 0 . 3 3 9 0 / s 2 3 0 1 0 0 3 7 .   [ 6 ]   B .   A h a m me d ,   T.   K a r i m ,   a n d   M .   A .   A l i m,   “ I n v e st i g a t i o n   o f   g r a p h e n e   f u n c t i o n a l i z e d   m u l t i - b a n d   M I M O   a n t e n n a   w i t h   e n h a n c e d   i so l a t i o n   w i t h   h i g h   g a i n   f o r   TH z   a p p l i c a t i o n s, ”   D i sc o v e r  E l e c t r o n i c s ,   v o l .   2 ,   n o .   1 ,   p .   1 1 ,   M a r .   2 0 2 5 ,   d o i :   1 0 . 1 0 0 7 / s4 4 2 9 1 - 025 - Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.