Монопольная антенна из хлопчатобумажного материала для портативных устройств.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7315 (2023) Цитировать эту статью

1134 Доступа

2 Альтметрика

Подробности о метриках

В этой статье исследуется монопольная антенна, работающая на частоте 2,45 ГГц и встроенная в искусственный магнитный проводник (АМС) для носимых систем связи. Предлагаемая антенна состоит из металлизированного рамочного излучателя с копланарной волноводной микрополосковой фидерной линией, закрепленной на подложке из хлопчатобумажного материала. Кроме того, поверхность AMC на хлопковой основе используется для устранения поглощенного телом излучения и увеличения усиления антенны. Он состоит из элементарных ячеек массива 5 × 5, на которых выгравированы I-образные пазы. Моделирование показывает, что при использовании этой конфигурации уровень удельной скорости поглощения (SAR) значительно снизился. При рассмотрении плоских и округлых частей тела установлено, что значения SAR в среднем за 10 г на расстоянии 1 мм от модели тканей составляют всего 0,18 Вт/кг и 0,371 Вт/кг соответственно. Кроме того, коэффициент усиления антенны был улучшен до 7,2 дБи при средней эффективности излучения 72%. Представлен подробный анализ с экспериментальными измерениями антенны на основе ваты для различных сценариев эксплуатации. Измеренные данные показывают хорошую корреляцию с результатами электромагнитного моделирования.

В настоящее время WBAN применяются в здравоохранении и медицинских целях1,2,3. В системах WBAN носимые антенны являются жизненно важными компонентами, используемыми для связи вблизи человеческого тела4,5,6. Эта сложная роль отражена в соображениях, которые необходимо учитывать при проектировании антенн такого типа. Одним из этих соображений является влияние на резонансное поведение антенны эффекта нагрузки тканей тела с высокой диэлектрической проницаемостью7,8. С другой стороны, при проектировании антенн необходимо учитывать выбор гибких материалов, которые будут использоваться близко к закругленным частям человеческого тела. Исследователи изучают и исследуют несколько видов носимых антенн на основе гибких материалов, таких как текстиль9, гибкая подложка10, диэлектрические резонаторы11, полиимид12, полидиметилсилоксан13, бумага14 и каптон15. Среди этих материалов предпочтение отдается текстилю из-за его легкости и высокой гибкости при интеграции с одеждой16. Однако процесс изготовления носимых антенн с использованием текстильных тканей в качестве подложек более сложен по сравнению с использованием обычных подложек17.

Поскольку носимые антенны работают вблизи тела человека, их излучение может привести к повреждению тканей тела. Этот эффект исследуется путем оценки уровня SAR на конкретной части человеческого тела. Чтобы снизить риски для здоровья, связанные с носимыми антеннами, значения SAR должны быть ниже регламентированного уровня18,19. В литературе сообщается о нескольких методах снижения поглощенной организмом радиации и, следовательно, минимизации уровня SAR20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33, 34,35,36. Один из распространенных методов — использование отражателя под антенной. В качестве отражателей использовались различные структуры, такие как поверхности с высоким импедансом (HIS)20, структуры с электромагнитной запрещенной зоной (EBG)21,22,23,24,25,26 и поверхности искусственного магнитного проводника (AMC)27,28,29,30,31. ,32,33,34,35,36. Эти конструкции могут увеличить коэффициент усиления антенны и помочь значительно уменьшить ее общий профиль по сравнению с использованием традиционной структуры идеального электрического проводника (PEC).

Среди известных рефлекторных структур поверхности AMC широко используются для поддержки носимых антенн27,28,29,30,31,32,33,34,35,36. В27 была представлена ​​гибкая реконфигурируемая антенна с поверхностью AMC, работающая на частотах 2,4/3,3 ГГц. С учетом модели ноги человека оцененные значения SAR не превышают 0,29 Вт/кг для обоих рабочих диапазонов при увеличении усиления антенны на 3,6 и 2,4 дБ соответственно. В работе28 была представлена ​​антенна Яги-Уда, построенная на латексной подложке и совмещенная с поверхностью АМС, работающая на частоте 2,4 ГГц. Одно- и двухслойные поверхности AMC использовались для минимизации пикового уровня SAR до 0,714 Вт/кг и увеличения пикового усиления до 1,8 дБи. В работе 30 были исследованы характеристики носимой антенны на поверхности AMC, основанной на использовании эластичной проводящей ткани. Конструкция позволила антенне охватывать диапазоны частот как Wi-Fi, так и 4G Long-term Development (LTE).