Akram, RizwanAlbaihani, Yahya Ahmed2025-11-192025Albaihani, Y. (2025). Optimal antenna design for wireless energy harvesting system in ISM band [Unpublished master's thesis]. Qassim Universityhttps://www.qu.edu.sa/en/https://hdl.handle.net/20.500.14154/77053The autonomous operation of low-power devices necessitates sustainable power solutions to eliminate reliance on finite-capacity batteries. The rapid growth of the Internet of Things (IoT) and smart cities has further amplified this demand, with billions of interconnected devices requiring efficient, maintenance-free energy sources. However, designing antennas for wireless power transfer (WPT) systems in the 5.8 GHz Industrial, Scientific, and Medical (ISM) band remains a critical challenge, particularly for balancing power efficiency and performance parameters. This study addresses these challenges by proposing a novel Microstrip Patch Antenna (MPA) design. Three performance enhancement techniques—Coplanar Waveguide (CPW) feeding, Electromagnetic Bandgap (EBG) structures, and Defected Ground Structure (DGS)—are evaluated to tailor the antenna for application-specific requirements in biomedical and IoT domains. The proposed main MPA achieves a 21% improvement in gain, 7% in directivity, and 10% in efficiency compared to recent state-of-the-art designs. The results indicate that the main antenna design achieved a return loss (S11) of-28.3 dB, a gain of 6.31 dBi, a directivity of 7.03 dBi, a bandwidth (BW) of 0.17 GHz, a VSWR of 1.08, and an efficiency (η) of 84% at the 5.8 GHz ISM Band. For non-invasive applications, the EBG-optimized MPA demonstrates superior performance with a gain of 7.24 dBi, directivity of 7.84 dBi, 87% efficiency, and a bandwidth of 1.43 GHz. In contrast, the CPW-fed design excels in embedded scenarios where miniaturization and high-efficiency power delivery are paramount, achieving 91% efficiency, an exceptional impedance match (S11: −41.3 dB, VSWR: 1.01), and the widest bandwidth of 2.18 GHz. The DGS technique further suppresses harmonics and refines radiation patterns, enhancing overall reliability. The DGS technique provided an (S11) of -34.73 dB, a gain of 6.61 dBi, a directivity of 7.59 dBi, a bandwidth of 1.07 GHz, a VSWR of 1.03, and an (η) of 80%. Fabrication and testing of the antennas confirm their practicality, with measured results closely aligning with simulations. The novelty of this work lies in its comprehensive evaluation of techniques for MPA optimization, providing actionable insights for engineers to select designs based on application priorities. Despite these advancements, challenges remain in scaling these designs for real-world deployment. The proposed methodologies and results pave the way for sustainable, battery-less solutions in healthcare, smart cities, and beyond.يتطلب التشغيل الذاتي للأجهزة منخفضة الطاقة توفير حلول طاقة مستدامة للتخلص من الاعتماد على البطاريات محدودة السعة، وقد أدى النمو السريع لإنترنت الأشياء (IoT) والمدن الذكية إلى تضخيم هذا الطلب، حيث تتطلب مليارات الأجهزة المترابطة مصادر طاقة فعالة وخالية من متطلبات الصيانة. ومع ذلك، لا يزال تصميم هوائيات لأنظمة نقل الطاقة اللاسلكية (WPT) في نطاق التردد 5.8 جيجاهرتز ضمن النطاق الترددي الصناعي والعلمي والطبي (ISM) يمثل تحديًا بالغ الأهمية، لا سيما فيما يتعلق بموازنة كفاءة الطاقة ومعايير الأداء. تتناول هذه الدراسة هذه التحديات من خلال اقتراح تصميم جديد لهوائي رقعة شريطية دقيقة (MPA). لقد تم تقديم ثلاث تقنيات لتحسين الأداء وهي: التغذية باستخدام الدليل الموجي المتحد المستوى (CPW)، وهياكل الفجوة النطاقية الكهرومغناطيسية (EBG)، والهيكل الأرضي المعطوب (DGS)؛ بهدف تكييف أداء الهوائي لتلبية متطلبات التطبيقات الخاصة في المجالات الطبية الحيوية وإنترنت الأشياء. يحقق الهوائي المقترح تحسينات ملحوظة مقارنة بالتصاميم المتطورة الحالية، حيث سجل زيادة في الكسب بنسبة 21%، وفي الاتجاهية بنسبة 7%، وفي الكفاءة بنسبة 10%. وأظهرت النتائج أن التصميم الأساسي للهوائي حقق معامل خسارة عودة (S11) قدره 28.3 - ديسيبل، وكسبًا قدره 6.31 ديسيبل، واتجاهية 7.03 ديسيبل، وعرض نطاق ترددي (BW) مقداره 0.17 جيجاهرتز، ونسبة موجة ثابتة للجهد (VSWR) تبلغ 1.08، وكفاءة (η) بنسبة 84% عند التردد 5.8 جيجاهرتز ضمن نطاق ISM. أما بالنسبة للتطبيقات الغير جراحية، فقد أظهر الهوائي المُحسّن بتقنية EBG أداءً متميزًا مع كسب بلغ 7.24 ديسيبل، واتجاهية 7.84 ديسيبل، وكفاءة 87%، وعرض نطاق ترددي واسع وصل إلى 1.43 جيجاهرتز. بالإضافة الى ذلك، برز تصميم التغذية CPW في السيناريوهات التي تتطلب أجهزة مدمجة وحيث تكون كفاءة نقل الطاقة والتصغير عوامل بالغة الأهمية، حيث حقق كفاءة بنسبة 91%، ومطابقة استثنائية للممانعة (S11: - 41.3 ديسيبل، VSWR: 1.01)، إضافة إلى أوسع نطاق ترددي بلغ 2.18 جيجاهرتز. وعززت تقنية DGS أداء الهوائي من خلال تثبيط التوافقيات وتحسين أنماط الإشعاع، مما رفع من درجة الموثوقية العامة، ووفَّرت هذه التقنية قيمًا لمعامل الخسارة (S11) بلغت 34.73 - ديسيبل، وكسبًا مقداره 6.61 ديسيبل، واتجاهية 7.59 ديسيبل، وعرض نطاق ترددي 1.07 جيجاهرتز، وVSWR قيمته 1.03، وكفاءة (η) بنسبة 80%. وأكدت عمليات تصنيع واختبار النماذج الأولية للهوائيات على فعاليتها العملية، حيث أظهرت النتائج المقاسة توافقًا وثيقًا مع نتائج المحاكاة. وتكمن حداثة هذا العمل في تقديمه تقييمًا شاملًا لتقنيات تحسين أداء هوائيات MPA، مما يزود المهندسين برؤى عملية لاختيار التصميم الأمثل بناءً على أولويات التطبيق. وعلى الرغم من هذه التطورات، لا تزال هناك تحديات تواجه توسيع نطاق تطبيق هذه التصاميم بشكل عملي. تمهد المنهجيات والنتائج التي قدمها هذا البحث الطريق أمام حلول طاقة مستدامة تعمل دون الحاجة إلى بطاريات في مجالات مثل الرعاية الصحية والمدن الذكية وغيرها من التطبيقات.134enهوائي الرقعة الشريطية الجزئيالتحسينالنقل اللاسلكي للطاقةالنطاق الصناعي والعلمي والطبيالدليل الموجي المُشْتَرِك المُسْتَوِيالفجوة النطاقية الكهرومغناطيسيةهيكل الأرضية المُعَطَّلMicrostrip Patch AntennaOptimizationWireless Power TransferISM BandCoplanar WaveguideElectromagnetic BandgapDefected Ground StructureThesis