Una antena monopolo con material de tela de algodón para aplicaciones portátiles

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 7315 (2023) Citar este artículo

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En este artículo se investiga una antena monopolo operada a 2,45 GHz e integrada con un conductor magnético artificial (AMC) para sistemas de comunicación portátiles. La antena propuesta se compone de un radiador de bucle metalizado con una línea de alimentación de microcinta de guía de ondas coplanar que está fijada sobre un sustrato de material de tela de algodón. Además, se utiliza una superficie AMC a base de algodón para eliminar la radiación absorbida por el cuerpo y mejorar la ganancia de la antena. Se compone de celdas unitarias de matriz de 5 × 5 grabadas con ranuras en forma de I. Usando esta configuración, las simulaciones muestran que el nivel de la tasa de absorción específica (SAR) se redujo significativamente. Considerando las partes del cuerpo planas y redondeadas, se encontró que los valores SAR promediados sobre 10 g a una distancia de 1 mm del modelo de tejidos eran sólo 0,18 W/kg y 0,371 W/kg, respectivamente. Además, la ganancia de la antena se mejoró hasta 7,2 dBi con una eficiencia de radiación promedio del 72%. Se presenta un análisis detallado con mediciones experimentales de la antena de algodón para diferentes escenarios de operación. Los datos medidos muestran una buena correlación con los resultados de la simulación electromagnética.

Hoy en día, las WBAN se aplican en aplicaciones médicas y sanitarias1,2,3. En los sistemas WBAN, las antenas portátiles son componentes vitales que se utilizan para la comunicación cerca del cuerpo humano4,5,6. Este desafiante papel se refleja en las consideraciones que se toman al diseñar este tipo de antenas. Una de estas consideraciones es la influencia en el comportamiento de resonancia de la antena debido al efecto de carga del tejido corporal de alta permitividad7,8. Por otro lado, en el diseño de antenas se debe considerar la elección de materiales flexibles para utilizarlos cerca de las partes redondeadas del cuerpo humano. Investigadores como el textil9, el sustrato flexible10, los resonadores dieléctricos11, la poliimida12, el polidimetilsiloxano13, el papel14 y Kapton15 estudian e investigan varios tipos de antenas portátiles basadas en materiales flexibles. Entre estos materiales, se prefieren los textiles debido a su ligereza y alta flexibilidad a la hora de integrarse con la ropa16. Sin embargo, el proceso de implementación de antenas portátiles que utilizan tejidos textiles como sustratos es más difícil en comparación con el uso de sustratos convencionales17.

Como las antenas portátiles funcionan cerca del cuerpo humano, su radiación puede dañar los tejidos corporales. Este efecto se examina evaluando el nivel de SAR considerando una parte específica del cuerpo humano. Para reducir los riesgos para la salud introducidos por las antenas portátiles, los valores de SAR deben estar por debajo del nivel regulado18,19. En la literatura se han reportado varias técnicas para reducir la radiación absorbida por el cuerpo y, en consecuencia, minimizar el nivel de SAR20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33. 34,35,36. Una de las técnicas más comunes es utilizar un reflector debajo de la antena. Se han utilizado diferentes estructuras como reflectores, como superficies de alta impedancia (HIS)20, estructuras de banda prohibida electromagnética (EBG)21,22,23,24,25,26 y superficies de conductores magnéticos artificiales (AMC)27,28,29,30,31. ,32,33,34,35,36. Estas estructuras pueden aumentar la ganancia de la antena y ayudar a reducir significativamente su perfil general en comparación con el uso de una estructura tradicional de conductor eléctrico perfecto (PEC).

Entre las estructuras reflectoras reportadas, las superficies AMC se han utilizado ampliamente para respaldar antenas portátiles27,28,29,30,31,32,33,34,35,36. En 27, se presentó una antena reconfigurable flexible respaldada con una superficie AMC que funcionaba a 2,4/3,3 GHz. Considerando un modelo de pierna humana, los valores de SAR evaluados no superan los 0,29 W/kg para ambas bandas operativas con un aumento de la ganancia de la antena de 3,6 y 2,4 dB, respectivamente. En 28, se presentó una antena Yagi-Uda construida sobre un sustrato de látex y combinada con una superficie AMC para funcionar a 2,4 GHz. Se utilizaron superficies AMC de una y dos capas para minimizar el nivel máximo de SAR a 0,714 W/kg y aumentar la ganancia máxima hasta 1,8 dBi. En 30, se investigó el rendimiento de una antena portátil sobre una superficie AMC basada en el uso de un tejido conductor elástico. El diseño permitió que la antena cubriera tanto WiFi como las bandas de frecuencia de evolución a largo plazo (LTE) 4G.

En32 se informó sobre una antena textil con superficie AMC para aplicaciones WLAN/WBAN. La configuración geométrica integrada redujo el valor de SAR y mejoró la ganancia a 0,0721 W/kg y 2,42 dBi, respectivamente. En 33 se utilizó una superficie AMC flexible como reflector. Proporciona un rendimiento estable y una reducción del nivel de SAR. En el estudio presentado se analizó el efecto del arrugamiento de la antena integrada. En 34, se informa sobre una antena flexible respaldada con un plano de tierra AMC y que funciona a 2,4 para aplicaciones de telemedicina. La utilización del plano AMC proporciona un aumento de 3,7 dB en la ganancia, además de una reducción del 64 % en el valor SAR. En 35 se informa sobre un diseño de antenas portátiles compactas que resonaban alrededor de 2,65 GHz. La radiación hacia atrás se redujo utilizando una metasuperficie reconocida como un plano AMC y modelada con una línea de transmisión CRLH operada en modos negativos. El valor máximo de SAR de la antena propuesta es de 1,25 W/kg para una separación de 5 mm del cuerpo humano con una ganancia real de 0,82 dBi. En 36 se analiza una antena portátil de doble banda de 1,57/2,45 GHz con estructuras AMC. La antena tiene un nivel de SAR inferior a 0,12 W/kg y un valor de ganancia de aproximadamente 1,9 dBi en las dos bandas.

En este trabajo, se propone el diseño de una antena portátil a base de algodón sobre una superficie AMC para aplicaciones de 2,45 GHz. La antena integrada adopta tela de algodón como sustrato para facilitar la integración en la ropa. En el CST Microwave Studio, los resultados de rendimiento y radiación demostraron que la antena proporciona un excelente rendimiento en el cuerpo y logró valores de SAR por debajo del límite regulado. Se presentaron discusiones detalladas sobre diseños de antenas con análisis comparativos con trabajos relevantes recientes. Con base en el modelo numérico, se fabricaron, integraron y probaron la antena propuesta y la superficie AMC. Se observaron buenas concordancias entre los resultados simulados y los datos medidos. Al final, podemos concluir los aportes del trabajo como,

La antena propuesta está fabricada sobre material textil para lograr ligereza y alta flexibilidad cuando se integra con la ropa.

La deformación de la antena integrada se analizó en el espacio libre y cuando se colocó cerca del cuerpo humano, lo que indica su buena idoneidad para el funcionamiento cuando se dobla tanto en el eje x como en el eje y.

La antena integrada tiene una ganancia realizada de 7,2 dBi con una radiación promedio y una eficiencia total del 72% y 60%, respectivamente.

La antena integrada tiene un nivel SAR bajo promediado en 10 g a una distancia de 1 mm del modelo de tejidos, donde solo 0,18 W/kg y 0,371 W/kg, respectivamente.

Los pasos de diseño de la antena monopolo portátil propuesta se representan en la Fig. 1a. La antena está construida sobre una tela de algodón de una sola capa de 0,9 mm con una permitividad relativa de εr = 1,7. Se une manualmente una capa metálica al sustrato de base de tela para formar el radiador de la antena y el plano de tierra. Como se ilustra en la figura, la Antena 1 consta de un radiador en forma de L alimentado por una línea de guía de ondas coplanar (CPW) de 50 Ω como primer paso del diseño. Con esta configuración, se logra una resonancia débil alrededor de 3,1 GHz, como se muestra en la Fig. 1b. Para mejorar el rendimiento de la antena, se diseñó la Antena 2, donde el radiador se extiende en forma de C. La Figura 1b muestra que la Antena 2 puede funcionar alrededor de 3,3 GHz con un buen rendimiento de adaptación. Finalmente, para sintonizar la resonancia de la antena a la banda de frecuencia deseada alrededor de 2,45 GHz, se diseña una antena con un radiador de bucle. Los parámetros de diseño optimizados se enumeran en el título de la Fig. 1, que muestra que la antena propuesta puede resonar alrededor de 2,45 GHz con un ancho de banda (BW) extendido de 2,29 a 2,69 GHz (pérdida de retorno de 10 dB).

(a) Los pasos de diseño de la antena portátil propuesta (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) Simulado |S11| respuestas versus frecuencia.

Para eliminar la radiación absorbida por el cuerpo y mejorar la ganancia de la antena, la antena propuesta se coloca sobre una superficie AMC para reducir el perfil general de toda la estructura en comparación con el uso de la superficie PEC. Dichas superficies funcionan como un circuito de tanque inductor-condensador (L-C) a la frecuencia de resonancia y logran HIS. La superficie AMC propuesta está diseñada para lograr una reflexión en fase a la frecuencia de resonancia de la antena de 2,45 GHz. Se construyó sobre una capa doblemente compactada de tejido de algodón de 1,8 mm de espesor. Consta de 25 celdas unitarias de parche cuadrado (matriz de 5 × 5) con ranuras en forma de I, que ocupan un área total de 122,5 × 122,5 mm2. La configuración geométrica de la celda unitaria propuesta y su circuito equivalente se representan en las figuras 2a, b, respectivamente. El software ADS se utiliza para modelar el circuito equivalente, donde el plano de tierra, el sustrato, la ranura en forma de I, el parche rectangular y el espacio, g, se modelan como Lground, Cd, Cslot, LP y Cg, respectivamente37. 38. Los valores optimizados de los elementos agrupados se muestran en el título de la Fig. 2. El resultado de la simulación del circuito se compara con el de la simulación EM y se muestra en la Fig. 2c. Se observa una buena tendencia entre los dos resultados. El rango de frecuencia en fase (- 90° a + 90°) es de 2,4 a 2,5 GHz con fase 0° a 2,45 GHz. El efecto de la longitud, Ld y el ancho, Wd de la ranura en forma de I sobre la respuesta de fase se ilustra en las figuras 3a, b, respectivamente. Se puede ver que la fase 0° se desplaza hacia arriba con el aumento de Ld, mientras que se desplaza hacia abajo con el aumento de Wd. Los valores optimizados de Ld y Wd son 13 y 22,3 mm, respectivamente. En la Fig. 4 se examina la distribución de la densidad de corriente superficial a 2,45 GHz. Como puede verse, las corrientes se distribuyen alrededor de los bordes de la ranura.

( a ) Celda unitaria de parche cuadrado propuesta de la superficie AMC. (a) Configuración geométrica (Ls = Ws = 24,5 mm, Wd = 22,3 mm, Ld = 13 mm, d = 2 mm, g = 0,25 mm). (b) Modelo de circuito equivalente de celda unitaria (Cg = 2,942 pF, Cd = 2,452 pF, Cslot = 4,85 pF, Lp = 5,842 nH, Lground = 1,42 nH). (c) Respuestas de fase de reflexión simuladas versus frecuencia.

Efecto de la longitud, Ld (a) y el ancho, Wd (b) de la ranura en forma de I sobre la respuesta de fase.

Ilustración de la distribución de corriente superficial en la celda unitaria de parche cuadrado propuesta de la superficie AMC a 2,45 GHz.

En esta sección, se investiga el rendimiento de la antena portátil de banda única sobre la superficie AMC diseñada. Se estudiaron dos parámetros importantes que afectan el rendimiento de la antena: el espaciado de la superficie AMC debajo de la antena y el tamaño de su conjunto. Se realizaron estudios paramétricos para adoptar estos parámetros. Las Figuras 5a,b muestran la influencia de tres distancias de separación, a saber, h = 3, 5 y 7 mm, en el rendimiento de la antena en términos de |S11| respuesta y ganancia máxima, respectivamente. Los efectos correspondientes de variar el tamaño de la matriz AMC se muestran en las figuras 6a, b, respectivamente. En las figuras se puede observar que con una separación de 3 mm entre la antena y un conjunto AMC de 5 × 5, se produce una fuerte resonancia a 2,45 GHz con una ganancia máxima de 8 dBi. Además, se puede observar que la superficie AMC provocó una resonancia débil a 2,7 GHz. Esta resonancia se puede reducir aumentando el espacio entre la antena y la capa AMC, pero a cambio aumentando el tamaño total de la antena.

Efectos del espaciado de la superficie AMC sobre el rendimiento de la antena con un tamaño de matriz de 5 × 5. (a) |S11| respuesta. (b) Ganancia máxima.

Efectos del tamaño de la superficie AMC sobre el rendimiento de la antena con un espaciado de 3 mm. (a) |S11| respuesta. (b) Ganancia máxima.

En aplicaciones prácticas, se espera que la antena portátil se doble durante la operación. Para garantizar la confiabilidad de la antena diseñada para tal escenario, la antena integrada se sometió a una curvatura estructural tanto a lo largo del eje x (en la dirección L) como del eje y (en la dirección W). Se estudiaron por separado cinco radios de curvatura diferentes a lo largo de cada uno de los ejes x (Rx) y y (Ry), a saber, 40, 50, 60, 70 y 80 mm. Estos valores son representaciones razonables de los radios de curvatura de diversas posiciones redondeadas del cuerpo humano adulto. El |S11| simulado Las respuestas versus la frecuencia para ambos escenarios de flexión se muestran en la Fig. 7a, b. En cada escenario, el radio de curvatura a lo largo de un eje se cambió y se mantuvo cero para el otro (es decir, plano). Como puede verse, la impedancia BW de la antena doblada con respaldo de AMC no cambia, lo que indica que la antena es adecuada para su funcionamiento en tales escenarios. Sin embargo, aparece un ligero cambio de frecuencia superior para el escenario de flexión en el eje y, especialmente con un radio de curvatura de 40 mm.

El |S11| Respuesta con diferentes radios de curvatura. (a) A lo largo del eje x. (b) A lo largo del eje y.

En esta sección, se investiga el rendimiento de la antena portátil propuesta respaldada por la superficie AMC diseñada cuando se considera su funcionamiento en las proximidades de tejidos humanos a una distancia de 1 mm. Para simular el rendimiento de la antena, se utilizó el modelo de cuerpo basado en vóxeles de Hugo presentado en CST Microwave Suite. El modelo Hugo es un modelo humano no homogéneo construido a partir de 32 tejidos. Cada tejido tiene propiedades materiales que reflejan las propiedades anatómicas del tejido humano. En este estudio, el modelo Hugo permite determinar el efecto de carga del cuerpo humano sobre el rendimiento de la antena y un análisis detallado de las distribuciones SAR.

Se estudiaron las características de la antena para cargas de cuerpo plano y redondeado. La evaluación se realizó en términos de |S11| características de respuesta y radiación. Las figuras 8a,b muestran con buena concordancia el |S11| respuestas evaluadas en el espacio libre en comparación con la carga corporal para una espalda plana y un brazo redondeado de radio 50 mm, respectivamente. Los correspondientes patrones de radiación de campo lejano se ilustran en la Fig. 9. Se observa un ligero efecto en el rendimiento de la antena cuando se carga sobre el cuerpo humano.

El |S11| respuesta de la antena evaluada en el espacio libre en comparación con la de la carga corporal para (a) Flatback. (b) Brazo de radio 50 mm.

Las características de los patrones de radiación de la antena respaldada por AMC a 2,45 GHz se evaluaron en el espacio libre (discontinuo) en comparación con la carga del cuerpo (sólido) para (a) parte posterior plana. (b) Brazo de radio 50 mm.

La Figura 10 muestra las características de radiación de la antena respaldada por AMC en el espacio libre en comparación con la de la carga corporal. Los resultados muestran que la ganancia máxima de la antena plana con respaldo de AMC en el espacio libre y cuando se conecta al modelo de espalda humana casi no se ve afectada, mientras que se produce un ligero efecto de 0,85 dB en la ganancia máxima de la antena curvada (Ry = 50 mm) cuando se fija al brazo humano. La eficiencia de la radiación es casi estable y varía del 70 al 72% en todos los casos. Además, la eficiencia total es casi estable y varía alrededor del 60% en todos los casos.

Características de radiación simuladas de la antena en el espacio libre y cuando se coloca cerca del modelo del cuerpo humano. (a) Ganancia máxima, (b) eficiencia de radiación. (c) Eficiencia total.

El nivel SAR se utiliza para evaluar la cantidad de energía de RF (radiofrecuencia) absorbida por el cuerpo humano. El Consejo de la Unión Europea recomendó un valor SAR de 2 W/kg en promedio sobre 10 g de tejidos19. El nivel de SAR se expresa como26:

donde σ es la conductividad del tejido en S/m, ρ es la densidad de masa del tejido en kg/m3 y E es la intensidad del campo eléctrico RMS total en V/m.

Se evalúa la distribución SAR del sistema de antena portátil propuesto, considerando modelos de cuerpo plano (espalda humana) y redondeado (un brazo humano de 50 mm de radio). La Figura 11a muestra el SAR promediado de 10 g calculado para la antena plana a 2,45 GHz. Se puede ver que el valor SAR calculado para la antena cargada con AMC es 0,18 W/kg en comparación con 36,8 W/kg para la antena plana independiente. El mismo escenario se muestra en la Fig. 11b para la distribución del SAR a lo largo del brazo humano. Se puede ver que el valor SAR calculado para la antena cargada con AMC es 0,371 W/kg en comparación con 20,8 W/kg para la antena independiente doblada. A partir de esta evaluación, se puede ver que el nivel de SAR se reduce significativamente cuando se utiliza la superficie del reflector AMC.

Los valores de SAR evaluaron más de 10 g de tejidos de la antena propuesta sola (izquierda) y sobre la superficie AMC (derecha) a 2,45 GHz en (a) parte posterior plana. (b) Brazo de radio 50 mm.

Para examinar el rendimiento práctico del sistema de antena portátil propuesto, se fabricaron prototipos y se sometieron a mediciones. La antena propuesta y la superficie AMC se grabaron sobre una capa conductora de 0,035 mm de espesor pegada a una sola capa y a una capa doblemente compactada de telas de algodón, respectivamente. El rendimiento del prototipo se midió a través de un analizador de redes vectorial Agilent N9918A, donde se utilizó un conector SMA (Subminiatura A) de 50 Ω para alimentar la antena. Una comparación de simulado y medido |S11| Las respuestas de la antena propuesta se dan en la Fig. 12 para diferentes casos de diseño, la antena sola en estados plano y doblado y sobre la superficie AMC para ambos estados. Para el análisis de flexión, la antena se envolvió alrededor de un cilindro de espuma de radio Ry = 50 mm, correspondiente al tamaño aproximado de un brazo humano adulto. Puede verse en la Fig. 12 que el sistema de antena propuesto puede resonar alrededor de 2,45 GHz en todos los casos, con una buena concordancia entre las respuestas de frecuencia simuladas y medidas. La impedancia medida BW es igual a 510 y 700 MHz para la antena sola en estados plano y curvado, respectivamente, mientras que es igual a 230 y 370 MHz para la antena respaldada por AMC en estados plano y curvado, respectivamente, lo cual es adecuado para aplicaciones médicas asignadas en este banda.

Simulado y medido |S11| Respuestas de la antena portátil propuesta para diferentes casos de diseño. (a) Antena plana. (b) Antena doblada (Ry = 50 mm). (c) Antena plana respaldada por AMC. (d) Antena doblada con respaldo de AMC (Ry = 50 mm).

Para mediciones en el espacio libre, las características de radiación de los prototipos de antena fabricados para los cuatro casos de diseño diferentes antes mencionados se evaluaron en una cámara anecoica StarLab 18, como se muestra en la Fig. 13. Comparación entre los patrones de radiación simulados y medidos en el plano x-z y En la Fig. 14 se muestra el plano y–z a la frecuencia de funcionamiento de 2,45 GHz. Está claro que se obtienen diagramas de radiación de tipo monopolo para la antena sola en ambos estados. La antena respaldada por AMC en ambos estados tiene un patrón direccional deseable para aplicaciones médicas. La Figura 15 muestra la ganancia de antena medida y simulada de la antena plana con y sin la superficie AMC. Los datos medidos se determinaron comparándolos con los de una antena de bocina de ganancia estándar de referencia. Se logró una ganancia máxima medida de 7,2 dBi a 2,45 GHz para la antena con superficie AMC en comparación con una ganancia máxima de 1,9 dBi para la antena sola, con una buena concordancia entre las respuestas de frecuencia simuladas y medidas.

Prototipos de antena bajo prueba en cámara anecoica. (a) Excluido AMC. (b) Incluye AMC.

Patrones de radiación simulados (línea discontinua) y medidos (línea continua) del sistema de antena propuesto en el plano x–z y el plano y–z a 2,45 GHz. (a) Antena plana. (b) Antena doblada. (c) Antena plana respaldada por AMC. (d) Antena respaldada por AMC doblada.

Ganancia máxima simulada y medida de la antena propuesta en estado plano con y sin superficie AMC.

Para realizar mediciones reales en el cuerpo humano, se colocó un prototipo de antena respaldada con la superficie AMC cerca de la espalda y el brazo de un adulto. El |S11| medido Las respuestas junto con las simuladas se muestran en la Fig. 16a, b, respectivamente. Se obtiene un buen rendimiento para la antena en dos ubicaciones en el cuerpo, lo que valida la estrategia de diseño.

El |S11| respuestas del prototipo de antena fabricado con respaldo de AMC colocado cerca de la espalda de un adulto (a). (b) Brazo de radio 50 mm.

La Tabla 1 compara el rendimiento de la antena portátil de banda única propuesta con la de última generación. En comparación con las antenas reportadas de diferentes sustratos, la antena integrada propuesta presenta un buen rendimiento con todos los sustratos de tela.

En este trabajo, se desarrolló una antena portátil a base de algodón que resulta cómoda de integrar con la ropa para aplicaciones portátiles de 2,45 GHz. La antena se imprimió en una tela de algodón puro de 0,9 mm (εr = 1,7) con un tamaño total pequeño de 30 mm × 36 mm × 0,9 mm. Para mitigar el efecto de acoplamiento del cuerpo, se integró una superficie AMC detrás de la antena. La deformación estructural de la antena integrada se analizó en el espacio libre y cuando se colocó cerca del cuerpo humano, lo que indica su buena idoneidad para el funcionamiento cuando se dobla tanto en el eje x como en el eje y. Investigando más a fondo, la evaluación de SAR en el modelo de cuerpo humano basado en Voxel considerando partes del cuerpo planas y redondeadas indica que la antena integrada proporcionó valores promedio de SAR por debajo de la tasa crítica. El diseño propuesto también presenta un patrón direccional con respecto al cuerpo con características de alta radiación, lo que lo hace atractivo para posibles aplicaciones portátiles.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo (y no hay materiales complementarios).

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Kosseir Radio, Telecom Egypt, Kosseir, 84712, Egipto

Ayman Ayd R. Saad

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Walaa M. Hassan

Departamento de Ingeniería Electrónica y Comunicaciones, Universidad de Minia, Minia, 61111, Egipto

Ahmed A. Ibrahim

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AARS y AAI escribieron el texto principal del manuscrito, prepararon figuras y resultados de simulación. WMH obtuvo los resultados de la simulación de fabricación y mediciones y preparó algunas figuras. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Ahmed A. Ibrahim.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Ayd R. Saad, A., Hassan, WM & Ibrahim, AA Una antena monopolo con material de tela de algodón para aplicaciones portátiles. Representante científico 13, 7315 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34394-3

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Recibido: 25 de enero de 2023

Aceptado: 28 de abril de 2023

Publicado: 05 de mayo de 2023

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

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