Eine Monopolantenne mit Baumwollstoffmaterial für tragbare Anwendungen

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 7315 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In diesem Artikel wird eine bei 2,45 GHz betriebene Monopolantenne mit eingebettetem künstlichem Magnetleiter (AMC) für tragbare Kommunikationssysteme untersucht. Die vorgeschlagene Antenne besteht aus einem metallisierten Schleifenstrahler mit einer koplanaren Wellenleiter-Mikrostreifen-Zuleitung, die auf einem Substrat aus Baumwollgewebematerial befestigt ist. Darüber hinaus wird eine AMC-Oberfläche auf Baumwollbasis verwendet, um die vom Körper absorbierte Strahlung zu eliminieren und den Antennengewinn zu erhöhen. Es besteht aus 5 × 5 Array-Elementarzellen, in die I-förmige Schlitze eingeätzt sind. Simulationen zeigen, dass bei Verwendung dieser Konfiguration die spezifische Absorptionsrate (SAR) deutlich reduziert wurde. Betrachtet man flache und abgerundete Körperteile, so wurde festgestellt, dass die über 10 g gemittelten SAR-Werte in einem Abstand von 1 mm vom Gewebemodell nur 0,18 W/kg bzw. 0,371 W/kg betrugen. Darüber hinaus wurde der Antennengewinn auf bis zu 7,2 dBi bei einer durchschnittlichen Strahlungseffizienz von 72 % verbessert. Es wird eine detaillierte Analyse mit experimentellen Messungen der baumwollbasierten Antenne für verschiedene Betriebsszenarien vorgestellt. Die gemessenen Daten zeigen eine gute Korrelation mit den elektromagnetischen Simulationsergebnissen.

Heutzutage werden WBANs im Gesundheitswesen und in medizinischen Anwendungen eingesetzt1,2,3. In WBAN-Systemen sind tragbare Antennen wichtige Komponenten für die Kommunikation in der Nähe des menschlichen Körpers4,5,6. Diese herausfordernde Rolle spiegelt sich in den Überlegungen wider, die bei der Entwicklung solcher Antennentypen berücksichtigt werden. Eine dieser Überlegungen ist der Einfluss des Belastungseffekts des Körpergewebes mit hoher Permittivität auf das Antennenresonanzverhalten7,8. Andererseits muss bei der Auswahl flexibler Materialien beim Antennendesign berücksichtigt werden, dass sie nahe an den runden Teilen des menschlichen Körpers verwendet werden können. Mehrere Arten tragbarer Antennen auf Basis flexibler Materialien werden von Forschern untersucht und untersucht, darunter Textilien9, flexible Substrate10, dielektrische Resonatoren11, Polyimid12, Polydimethylsiloxan13, Papier14 und Kapton15. Unter diesen Materialien werden Textilien aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer hohen Flexibilität bei der Integration in die Kleidung bevorzugt16. Allerdings ist der Implementierungsprozess tragbarer Antennen mit textilen Stoffen als Substrat schwieriger als bei der Verwendung herkömmlicher Substrate17.

Da tragbare Antennen in der Nähe des menschlichen Körpers betrieben werden, kann ihre Strahlung das Körpergewebe schädigen. Dieser Effekt wird untersucht, indem der SAR-Wert anhand eines bestimmten Teils des menschlichen Körpers bewertet wird. Um die durch die tragbaren Antennen verursachten Gesundheitsrisiken zu verringern, sollten die SAR-Werte unter dem regulierten Wert liegen18,19. In der Literatur wurde über mehrere Techniken berichtet, um die vom Körper absorbierte Strahlung zu reduzieren und folglich den SAR-Wert zu minimieren20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33, 34,35,36. Eine der gebräuchlichsten Techniken ist die Verwendung eines Reflektors unterhalb der Antenne. Als Reflektoren wurden verschiedene Strukturen verwendet, wie z. B. hochohmige Oberflächen (HIS)20, Strukturen mit elektromagnetischer Bandlücke (EBG)21,22,23,24,25,26 und Oberflächen mit künstlichem Magnetleiter (AMC)27,28,29,30,31 ,32,33,34,35,36. Diese Strukturen können den Antennengewinn erhöhen und dazu beitragen, das Gesamtprofil im Vergleich zur Verwendung einer herkömmlichen PEC-Struktur (Perfect Electric Conductor) deutlich zu reduzieren.

Unter den gemeldeten Reflektorstrukturen wurden AMC-Oberflächen häufig als Träger für tragbare Antennen verwendet27,28,29,30,31,32,33,34,35,36. Im Jahr 27 wurde eine flexible rekonfigurierbare Antenne mit einer AMC-Oberfläche eingeführt, die bei 2,4/3,3 GHz arbeitete. Betrachtet man ein menschliches Beinmodell, überschreiten die ausgewerteten SAR-Werte für beide Betriebsbänder 0,29 W/kg nicht, wobei der Antennengewinn um 3,6 bzw. 2,4 dB zunimmt. In28 wurde eine auf einem Latexsubstrat aufgebaute und mit einer AMC-Oberfläche kombinierte Yagi-Uda-Antenne für den Betrieb bei 2,4 GHz vorgestellt. Ein- und doppelschichtige AMC-Oberflächen wurden verwendet, um den Spitzen-SAR-Wert auf 0,714 W/kg zu minimieren und den Spitzengewinn auf bis zu 1,8 dBi zu erhöhen. In30 wurde die Leistung einer tragbaren Antenne über einer AMC-Oberfläche basierend auf der Verwendung eines dehnbaren leitfähigen Gewebes untersucht. Das Design ermöglichte es der Antenne, sowohl WLAN als auch die 4G-Long-Term-Evolution-Frequenzbänder (LTE) abzudecken.

Über eine Textilantenne mit AMC-Oberfläche für WLAN/WBAN-Anwendungen wurde in32 berichtet. Die integrierte geometrische Konfiguration reduzierte den SAR-Wert und verbesserte die Verstärkung auf 0,0721 W/kg bzw. 2,42 dBi. Als Reflektor wurde in33 eine flexible AMC-Oberfläche verwendet. Es bietet eine stabile Leistung und eine Reduzierung des SAR-Werts. In der berichteten Studie wurde der Effekt des Zerknitterns der integrierten Antenne analysiert. In34 wird über eine flexible Antenne mit AMC-Grundriss berichtet, die bei 2,4 für Telemedizinanwendungen arbeitet. Die Verwendung der AMC-Ebene führt zu einer Steigerung der Verstärkung um 3,7 dB und einer Reduzierung des SAR-Werts um 64 %. Über ein Design kompakter tragbarer Antennen mit einer Resonanzfrequenz von etwa 2,65 GHz wird in35 berichtet. Die Rückstrahlung wurde mithilfe einer Metaoberfläche reduziert, die als AMC-Ebene erkannt und mit einer CRLH-Übertragungsleitung modelliert wurde, die im negativen Modus betrieben wurde. Der Spitzen-SAR-Wert der vorgeschlagenen Antenne beträgt 1,25 W/kg bei einem Abstand von 5 mm zum menschlichen Körper mit einem tatsächlichen Gewinn von 0,82 dBi. Eine tragbare Dualband-Antenne mit 1,57/2,45 GHz und AMC-Strukturen wird in36 besprochen. Die Antenne hat einen SAR-Wert von weniger als 0,12 W/kg und einen Verstärkungswert von etwa 1,9 dBi in den beiden Bändern.

In dieser Arbeit wird ein Entwurf einer tragbaren Antenne auf Baumwollbasis über einer AMC-Oberfläche für 2,45-GHz-Anwendungen vorgeschlagen. Die integrierte Antenne verwendet Baumwollstoff als Trägermaterial, um die Integration in die Kleidung zu erleichtern. Im CST Microwave Studio zeigten die Leistungs- und Strahlungsergebnisse, dass die Antenne eine hervorragende Leistung am Körper bietet und SAR-Werte unterhalb des regulierten Grenzwerts erreicht. Es wurden ausführliche Diskussionen zu Antennendesigns mit vergleichender Analyse mit aktuellen relevanten Arbeiten vorgestellt. Basierend auf dem numerischen Modell wurden die vorgeschlagene Antenne und die AMC-Oberfläche hergestellt, integriert und getestet. Es wurden gute Übereinstimmungen zwischen simulierten Ergebnissen und gemessenen Daten beobachtet. Am Ende können wir die Beiträge der Arbeit wie folgt zusammenfassen:

Die vorgeschlagene Antenne wird aus Textilmaterial hergestellt, um bei der Integration in die Kleidung ein geringes Gewicht und eine hohe Flexibilität zu erreichen.

Die Verformung der integrierten Antenne wurde sowohl im freien Raum als auch bei Platzierung in der Nähe des menschlichen Körpers analysiert, was darauf hindeutet, dass sie sich gut für den Betrieb eignet, wenn sie sowohl um die x- als auch um die y-Achse gebogen wird.

Die integrierte Antenne hat einen realisierten Gewinn von 7,2 dBi bei einer durchschnittlichen Abstrahlung und einem Gesamtwirkungsgrad von 72 % bzw. 60 %.

Die integrierte Antenne hat einen niedrigen SAR-Wert im Durchschnitt über 10 g in einem Abstand von 1 mm vom Gewebemodell, nämlich nur 0,18 W/kg bzw. 0,371 W/kg.

Die Entwurfsschritte der vorgeschlagenen tragbaren Monopolantenne sind in Abb. 1a dargestellt. Die Antenne ist auf einem 0,9 mm starken einlagigen Baumwollgewebe mit einer relativen Permittivität von εr = 1,7 aufgebaut. Eine Metallschicht wird manuell auf dem Stoffträgersubstrat angebracht, um den Antennenstrahler und die Erdungsebene zu bilden. Wie in der Abbildung dargestellt, besteht Antenne 1 aus einem L-förmigen Strahler, der im ersten Schritt des Entwurfs von einer koplanaren Wellenleiterleitung (CPW) mit 50 Ω gespeist wird. Mit dieser Konfiguration wird eine schwache Resonanz um 3,1 GHz erreicht, wie in Abb. 1b dargestellt. Um die Antennenleistung zu verbessern, wurde Antenne 2 entwickelt, bei der der Strahler C-förmig verlängert ist. Abbildung 1b zeigt, dass Antenne 2 bei etwa 3,3 GHz mit guter Anpassungsleistung betrieben werden kann. Um schließlich die Antennenresonanz auf das gewünschte Frequenzband um 2,45 GHz abzustimmen, wird eine Antenne mit einem Schleifenstrahler entworfen. Die optimierten Designparameter sind in der Überschrift von Abb. 1 aufgeführt. Daraus geht hervor, dass die vorgeschlagene Antenne bei etwa 2,45 GHz mit einer von 2,29 auf 2,69 GHz erweiterten Bandbreite (BW) resonieren kann (Rückflussdämpfung von 10 dB).

(a) Die Entwurfsschritte der vorgeschlagenen tragbaren Antenne (L = 36 mm, W = 30 mm, L1 = 10 mm, L2 = 16 mm, W1 = 23 mm, W2 = 16 mm, Lr = 2 mm, Lf = 15 mm, Wf = 3,5 mm, Lg = 7 mm). (b) Simuliertes |S11| Antworten versus Häufigkeit.

Um die vom Körper absorbierte Strahlung zu eliminieren und den Antennengewinn zu erhöhen, wird die vorgeschlagene Antenne auf einer AMC-Oberfläche platziert, um das Gesamtprofil der gesamten Struktur im Vergleich zur Verwendung der PEC-Oberfläche zu reduzieren. Solche Oberflächen arbeiten als Induktor-Kondensator-Tankkreis (L-C) bei der Resonanzfrequenz und erreichen HIS. Die vorgeschlagene AMC-Oberfläche soll eine gleichphasige Reflexion bei der Resonanzfrequenz der Antenne von 2,45 GHz erreichen. Es wurde auf einer doppelt verdichteten Lage Baumwollgewebe mit einer Dicke von 1,8 mm aufgebaut. Es besteht aus 25 quadratischen Patch-Elementarzellen (5 × 5-Array) mit I-förmigen Schlitzen, die eine Gesamtfläche von 122,5 × 122,5 mm2 einnehmen. Die geometrische Konfiguration der vorgeschlagenen Elementarzelle und ihr Ersatzschaltbild sind in Abb. 2a bzw. b dargestellt. Die ADS-Software wird verwendet, um die Ersatzschaltung zu modellieren, wobei die Masseebene, das Substrat, der I-förmige Schlitz, das rechteckige Feld und die Lücke g als Lground, Cd, Cslot, LP bzw. Cg modelliert werden37. 38. Die optimierten konzentrierten Elementwerte werden in der Überschrift von Abb. 2 angezeigt. Das Ergebnis der Schaltungssimulation wird mit dem der EM-Simulation verglichen und in Abb. 2c dargestellt. Es ist eine gute Tendenz zwischen den beiden Ergebnissen zu beobachten. Der Inphase-Frequenzbereich (− 90° bis + 90°) beträgt 2,4–2,5 GHz mit 0° Phase bei 2,45 GHz. Die Auswirkung der Länge Ld und der Breite Wd des I-förmigen Schlitzes auf den Phasengang ist in Abb. 3a bzw. b dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die 0°-Phase mit zunehmendem Ld nach oben verschoben wird, während sie mit zunehmendem Wd nach unten verschoben wird. Die optimierten Werte für Ld und Wd betragen 13 bzw. 22,3 mm. Die Oberflächenstromdichteverteilung bei 2,45 GHz wird in Abb. 4 untersucht. Wie zu sehen ist, verteilen sich die Ströme um die Kanten des Schlitzes.

(a) Vorgeschlagene quadratische Elementarzelle der AMC-Oberfläche. (a) Geometrische Konfiguration (Ls = Ws = 24,5 mm, Wd = 22,3 mm, Ld = 13 mm, d = 2 mm, g = 0,25 mm). (b) Elementarzellen-Ersatzschaltbildmodell (Cg = 2,942 pF, Cd = 2,452 pF, Cslot = 4,85 pF, Lp = 5,842 nH, Lground = 1,42 nH). (c) Simulierte Reflexionsphasenantworten gegenüber der Frequenz.

Einfluss der Länge Ld (a) und der Breite Wd (b) des I-förmigen Schlitzes auf den Phasengang.

Darstellung der Oberflächenstromverteilung auf der vorgeschlagenen quadratischen Elementarzelle der AMC-Oberfläche bei 2,45 GHz.

In diesem Abschnitt wird die Leistung der tragbaren Single-Band-Antenne auf der entworfenen AMC-Oberfläche untersucht. Zwei wichtige Parameter, die die Leistung der Antenne beeinflussen, wurden untersucht: der Abstand der AMC-Oberfläche unter der Antenne und ihre Array-Größe. Zur Übernahme dieser Parameter wurden parametrische Studien durchgeführt. Abbildung 5a,b zeigt den Einfluss von drei Trennungsabständen, nämlich h = 3, 5 und 7 mm, auf die Antennenleistung in Bezug auf |S11| Ansprechverhalten bzw. Spitzenverstärkung. Die entsprechenden Auswirkungen der Variation der AMC-Array-Größe sind in Abb. 6a bzw. b dargestellt. Aus den Abbildungen lässt sich erkennen, dass bei einem Abstand von 3 mm zwischen der Antenne und einem 5 × 5 AMC-Array eine starke Resonanz bei 2,45 GHz mit einem Spitzengewinn von 8 dBi auftritt. Außerdem kann beobachtet werden, dass die AMC-Oberfläche eine schwache Resonanz bei 2,7 GHz verursachte. Diese Resonanz kann reduziert werden, indem der Abstand zwischen der Antenne und der AMC-Schicht vergrößert wird, im Gegenzug jedoch die Gesamtgröße der Antenne erhöht wird.

Auswirkungen des Abstands der AMC-Oberfläche auf die Antennenleistung bei einer Array-Größe von 5 × 5. (a) |S11| Antwort. (b) Spitzenverstärkung.

Auswirkungen der Größe der AMC-Oberfläche auf die Antennenleistung bei 3 mm Abstand. (a) |S11| Antwort. (b) Spitzenverstärkung.

In praktischen Anwendungen wird erwartet, dass die tragbare Antenne während des Betriebs gebogen wird. Um die Zuverlässigkeit der entworfenen Antenne für ein solches Szenario sicherzustellen, wurde die integrierte Antenne einer strukturellen Biegung sowohl entlang der x-Achse (in L-Richtung) als auch der y-Achse (in W-Richtung) unterzogen. Fünf verschiedene Krümmungsradien entlang jeder der x-Achse (Rx) und y-Achse (Ry), nämlich 40, 50, 60, 70 und 80 mm, wurden separat untersucht. Diese Werte sind sinnvolle Darstellungen der Krümmungsradien verschiedener abgerundeter Positionen des erwachsenen menschlichen Körpers. Das simulierte |S11| Die Reaktionen gegenüber der Frequenz für beide Biegeszenarien sind in Abb. 7a, b dargestellt. In jedem Szenario wurde der Biegeradius entlang einer Achse geändert und für die andere auf Null gehalten (dh flach). Wie man sehen kann, ändert sich die Impedanz BW der gebogenen AMC-gestützten Antenne nicht, was darauf hindeutet, dass die Antenne in solchen Szenarios für den Betrieb gut geeignet ist. Für das Biegeszenario auf der y-Achse tritt jedoch eine leichte Oberfrequenzverschiebung auf, insbesondere bei einem Krümmungsradius von 40 mm.

Der |S11| Reaktion mit unterschiedlichen Krümmungsradien. (a) Entlang der x-Achse. (b) Entlang der y-Achse.

In diesem Abschnitt wird die Leistung der vorgeschlagenen tragbaren Antenne mit der entwickelten AMC-Oberfläche untersucht, wenn sie für den Betrieb in der Nähe von menschlichem Gewebe in einem Abstand von 1 mm in Betracht gezogen wird. Zur Simulation der Antennenleistung wurde das in der CST Microwave Suite vorgestellte Voxel-basierte Körpermodell von Hugo verwendet. Das Hugo-Modell ist ein inhomogenes menschliches Modell, das aus 32 Geweben aufgebaut ist. Jedes Gewebe weist Materialeigenschaften auf, die die anatomischen menschlichen Gewebeeigenschaften widerspiegeln. In dieser Studie ermöglicht das Hugo-Modell die Bestimmung der Belastungswirkung des menschlichen Körpers auf die Antennenleistung und eine detaillierte Analyse der SAR-Verteilungen.

Es wurden die Antenneneigenschaften bei flacher und runder Körperbelastung untersucht. Die Auswertung erfolgte im Sinne von |S11| Ansprech- und Strahlungseigenschaften. Abbildung 8a,b zeigen mit guter Übereinstimmung das |S11| Die Reaktionen wurden im freien Raum im Vergleich zur Körperbelastung für einen flachen Rücken bzw. einen abgerundeten Arm mit einem Radius von 50 mm bewertet. Die entsprechenden Fernfeldstrahlungsmuster sind in Abb. 9 dargestellt. Bei Belastung auf den menschlichen Körper ist eine leichte Auswirkung auf die Antennenleistung zu beobachten.

Der |S11| Reaktion der Antenne im freien Raum im Vergleich zur Körperbelastung für (a) Flatback. (b) Arm mit Radius 50 mm.

Die Strahlungsmustereigenschaften der AMC-gestützten Antenne bei 2,45 GHz, bewertet im freien Raum (gestrichelt) im Vergleich zu denen bei Körperbelastung (durchgezogen) für (a) Flatback. (b) Arm mit Radius 50 mm.

Abbildung 10 zeigt die Strahlungseigenschaften der AMC-gestützten Antenne im freien Raum im Vergleich zu denen bei Körperbelastung. Die Ergebnisse zeigen, dass der Spitzengewinn der flachen AMC-gestützten Antenne im freien Raum und bei Befestigung am menschlichen Rückenmodell nahezu nicht beeinträchtigt wird, während beim Spitzengewinn der gebogenen Antenne ein leichter Effekt von 0,85 dB auftritt (Ry = 50). mm) bei Befestigung am menschlichen Arm. Die Strahlungseffizienz ist nahezu stabil und variiert in allen Fällen zwischen 70 und 72 %. Auch der Gesamtwirkungsgrad ist nahezu stabil und schwankt in allen Fällen um etwa 60 %.

Simulierte Strahlungseigenschaften der Antenne im freien Raum und bei Platzierung in der Nähe des menschlichen Körpermodells. (a) Spitzengewinn, (b) Strahlungseffizienz. (c) Gesamteffizienz.

Der SAR-Wert wird verwendet, um die Menge der vom menschlichen Körper absorbierten HF-Energie (Radiofrequenz) zu bewerten. Der Rat der Europäischen Union empfahl einen SAR-Wert von 2 W/kg gemittelt über 10 g Gewebe19. Der SAR-Wert wird ausgedrückt als26:

Dabei ist σ die Leitfähigkeit des Gewebes in S/m, ρ die Massendichte des Gewebes in kg/m3 und E die gesamte elektrische Feldstärke RMS in V/m.

Die SAR-Verteilung des vorgeschlagenen tragbaren Antennensystems wird unter Berücksichtigung von Modellen mit flachem (menschlicher Rücken) und abgerundetem Körper (menschlicher Arm mit einem Radius von 50 mm) bewertet. Abbildung 11a zeigt den berechneten durchschnittlichen SAR-Wert von 10 g für die Flachantenne bei 2,45 GHz. Es ist ersichtlich, dass der berechnete SAR-Wert für die AMC-beladene Antenne 0,18 W/kg beträgt, verglichen mit 36,8 W/kg für die flache Standalone-Antenne. Das gleiche Szenario ist in Abb. 11b für die SAR-Verteilung entlang des menschlichen Arms dargestellt. Es ist ersichtlich, dass der berechnete SAR-Wert für die AMC-beladene Antenne 0,371 W/kg beträgt, verglichen mit 20,8 W/kg für die gebogene Einzelantenne. Aus dieser Auswertung ist ersichtlich, dass sich der SAR-Wert bei Verwendung der AMC-Reflektoroberfläche deutlich verringert.

SAR-Werte wurden über 10 g Gewebe der vorgeschlagenen Antenne allein (links) und über der AMC-Oberfläche (rechts) bei 2,45 GHz auf (einer) flachen Rückseite ausgewertet. (b) Arm mit Radius 50 mm.

Um die praktische Leistung des vorgeschlagenen tragbaren Antennensystems zu untersuchen, wurden Prototypen hergestellt und Messungen unterzogen. Die vorgeschlagene Antenne und die AMC-Oberfläche wurden auf eine leitfähige Schicht mit einer Dicke von 0,035 mm geätzt, die auf eine einzelne Schicht bzw. eine doppelt verdichtete Schicht aus Baumwollgewebe geklebt war. Die Leistung des Prototyps wurde mit einem Vektornetzwerkanalysator Agilent N9918A gemessen, bei dem ein 50-Ω-SMA-Anschluss (SubMiniatur A) zur Speisung der Antenne verwendet wurde. Ein Vergleich von simuliertem und gemessenem |S11| Die Reaktionen der vorgeschlagenen Antenne sind in Abb. 12 für verschiedene Designfälle dargestellt, wobei die Antenne allein im flachen und gebogenen Zustand und über der AMC-Oberfläche für beide Zustände betrachtet wird. Für die Biegeanalyse wurde die Antenne um einen Schaumstoffzylinder mit einem Radius von Ry = 50 mm gewickelt, was ungefähr der Größe eines erwachsenen menschlichen Arms entspricht. Aus Abb. 12 ist ersichtlich, dass das vorgeschlagene Antennensystem in allen Fällen eine Resonanz um 2,45 GHz erreichen kann, mit einer guten Übereinstimmung zwischen den simulierten und gemessenen Frequenzgängen. Die gemessene Impedanz BW beträgt 510 bzw. 700 MHz für die Antenne allein im flachen bzw. gebogenen Zustand, während sie für die AMC-gestützte Antenne im flachen bzw. gebogenen Zustand 230 bzw. 370 MHz beträgt, was für hier zugewiesene medizinische Anwendungen geeignet ist Band.

Simuliert und gemessen |S11| Reaktionen der vorgeschlagenen tragbaren Antenne für verschiedene Designfälle. (a) Flache Antenne. (b) Gebogene Antenne (Ry = 50 mm). (c) Flache AMC-gestützte Antenne. (d) Gebogene AMC-gestützte Antenne (Ry = 50 mm).

Für Freiraummessungen wurden die Strahlungseigenschaften der hergestellten Antennenprototypen für die vier oben genannten verschiedenen Designfälle in einer reflexionsarmen Kammer StarLab 18 bewertet, wie in Abb. 13 dargestellt. Vergleich zwischen simulierten und gemessenen Strahlungsmustern in der x-z-Ebene und Die y-z-Ebene bei der Betriebsfrequenz von 2,45 GHz ist in Abb. 14 dargestellt. Es ist klar, dass in beiden Zuständen für die Antenne allein monopolartige Strahlungsmuster erhalten werden. Die AMC-gestützte Antenne weist in beiden Zuständen eine Richtcharakteristik auf, die für medizinische Anwendungen wünschenswert ist. Abbildung 15 zeigt den gemessenen und simulierten Antennengewinn der Flachantenne mit und ohne AMC-Oberfläche. Die gemessenen Daten wurden durch Vergleich mit denen einer Referenz-Hornantenne mit Standardverstärkung ermittelt. Für die Antenne mit AMC-Oberfläche wurde bei 2,45 GHz ein gemessener Spitzengewinn von 7,2 dBi erreicht, verglichen mit einem Spitzengewinn von 1,9 dBi für die Antenne allein, mit einer guten Übereinstimmung zwischen den simulierten und gemessenen Frequenzgängen.

Antennenprototypen werden in einer schalltoten Kammer getestet. (a) Ohne AMC. (b) Einschließlich AMC.

Simulierte (gestrichelte Linie) und gemessene (durchgezogene Linie) Strahlungsmuster des vorgeschlagenen Antennensystems in der x-z-Ebene und der y-z-Ebene bei 2,45 GHz. (a) Flache Antenne. (b) Verbogene Antenne. (c) Flache AMC-gestützte Antenne. (d) Gebogene AMC-gestützte Antenne.

Simulierter und gemessener Spitzengewinn der vorgeschlagenen Antenne im flachen Zustand mit und ohne AMC-Oberfläche.

Für reale Messungen am Körper eines Menschen wurde ein Prototyp der mit der AMC-Oberfläche versehenen Antenne nahe am Rücken und Arm eines Erwachsenen platziert. Der gemessene |S11| Die Antworten sind zusammen mit den simulierten in Abb. 16a bzw. b dargestellt. Bei zwei Platzierungen am Körper wird eine gute Leistung der Antenne erzielt, was die Designstrategie bestätigt.

Der |S11| Reaktionen des hergestellten AMC-gestützten Antennenprototyps, der nahe am Rücken eines Erwachsenen (a) platziert wurde. (b) Arm mit Radius 50 mm.

Tabelle 1 vergleicht die Leistung der vorgeschlagenen tragbaren Single-Band-Antenne mit dem Stand der Technik. Im Vergleich zu den gemeldeten Antennen mit unterschiedlichen Substraten weist die vorgeschlagene integrierte Antenne eine gute Leistung bei allen gewebebasierten Substraten auf.

In dieser Arbeit wurde eine tragbare Antenne auf Baumwollbasis für tragbare 2,45-GHz-Anwendungen entwickelt, die sich bequem in die Kleidung integrieren lässt. Die Antenne wurde auf ein 0,9 mm dickes reines Baumwollgewebe (εr = 1,7) mit einer kleinen Gesamtgröße von 30 mm × 36 mm × 0,9 mm gedruckt. Um den Körperkopplungseffekt abzuschwächen, wurde hinter der Antenne eine AMC-Oberfläche integriert. Die strukturelle Verformung der integrierten Antenne wurde sowohl im freien Raum als auch bei Platzierung in der Nähe des menschlichen Körpers analysiert, was darauf hindeutet, dass sie sich gut für den Betrieb eignet, wenn sie sowohl um die x- als auch um die y-Achse gebogen wird. Weitere Untersuchungen ergaben, dass die SAR-Bewertung im Voxel-basierten Modell des menschlichen Körpers unter Berücksichtigung flacher und abgerundeter Körperteile darauf hindeutet, dass die integrierte Antenne durchschnittliche SAR-Werte unterhalb der kritischen Rate lieferte. Das vorgeschlagene Design zeichnet sich außerdem durch ein Richtungsmuster in Bezug auf den Körper mit hohen Strahlungseigenschaften aus, was es für potenzielle tragbare Anwendungen attraktiv macht.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem Artikel enthalten (und es gibt keine ergänzenden Materialien).

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Open-Access-Finanzierung durch die Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) in Zusammenarbeit mit der Egyptian Knowledge Bank (EKB). Für die Durchführung dieser Studie werden keine Gelder, Zuschüsse oder sonstige Unterstützung erhalten.

Kosseir Radio, Telecom Egypt, Kosseir, 84712, Ägypten

Ayman Ayd R. Saad

Electronics Research Institute, El-Nozha El-Gadida, Kairo, 11843, Ägypten

Walaa M. Hassan

Abteilung für Elektronik und Kommunikationstechnik, Minia-Universität, Minia, 61111, Ägypten

Ahmed A. Ibrahim

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AARS und AAI verfassten den Hauptmanuskripttext, bereiteten Abbildungen und Simulationsergebnisse vor. WMH hat die Ergebnisse der Fertigungs- und Messsimulation ermittelt und einige Abbildungen erstellt. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Ahmed A. Ibrahim.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Ayd R. Saad, A., Hassan, WM & Ibrahim, AA Eine Monopolantenne mit Baumwollstoffmaterial für tragbare Anwendungen. Sci Rep 13, 7315 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34394-3

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Eingegangen: 25. Januar 2023

Angenommen: 28. April 2023

Veröffentlicht: 05. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34394-3

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