Un'antenna unipolare con materiale in tessuto di cotone per applicazioni indossabili

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7315 (2023) Citare questo articolo

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In questo articolo viene studiata un'antenna unipolare operante a 2,45 GHz e incorporata con un conduttore magnetico artificiale (AMC) per sistemi di comunicazione indossabili. L'antenna proposta è composta da un radiatore ad anello metallizzato con una linea di alimentazione a microstriscia di guida d'onda complanare fissata su un substrato di tessuto di cotone. Inoltre, viene utilizzata una superficie AMC a base di cotone per eliminare la radiazione assorbita dal corpo e migliorare il guadagno dell'antenna. È composto da celle unitarie di array 5 × 5 incise con slot a forma di I. Utilizzando questa configurazione, le simulazioni mostrano che il livello del tasso di assorbimento specifico (SAR) è stato significativamente ridotto. Considerando le parti del corpo piatte e arrotondate, è stato riscontrato che i valori SAR medi su 10 g a una distanza di 1 mm dal modello dei tessuti erano rispettivamente di soli 0,18 W/kg e 0,371 W/kg. Inoltre, il guadagno dell'antenna è stato migliorato fino a 7,2 dBi con un'efficienza di radiazione media del 72%. Viene introdotta un'analisi dettagliata con misurazioni sperimentali dell'antenna a base di cotone per diversi scenari operativi. I dati misurati mostrano una buona correlazione con i risultati della simulazione elettromagnetica.

Al giorno d'oggi, le WBAN vengono utilizzate in applicazioni mediche e sanitarie1,2,3. Nei sistemi WBAN, le antenne indossabili sono componenti vitali utilizzati per la comunicazione vicino al corpo umano4,5,6. Questo ruolo impegnativo si riflette nelle considerazioni che si prendono quando si progettano questi tipi di antenne. Una di queste considerazioni è l'influenza sul comportamento di risonanza dell'antenna dovuta all'effetto di carico del tessuto corporeo ad alta permettività7,8. D'altro canto, nella progettazione dell'antenna si deve considerare la scelta di materiali flessibili da utilizzare vicino alle parti arrotondate del corpo umano. Diversi tipi di antenne indossabili basate su materiali flessibili sono studiati e studiati dai ricercatori come il tessile9, il substrato flessibile10, i risonatori dielettrici11, la poliimmide12, il polidimetilsilossano13, la carta14 e il Kapton15. Tra questi materiali, i tessili sono preferiti per la loro leggerezza e l'elevata flessibilità nell'integrazione con gli indumenti16. Tuttavia, il processo di implementazione di antenne indossabili che utilizzano tessuti tessili come substrati è più difficile rispetto all’uso di substrati convenzionali17.

Poiché le antenne indossabili operano vicino al corpo umano, le loro radiazioni possono causare danni ai tessuti corporei. Questo effetto viene esaminato valutando il livello SAR considerando una parte specifica del corpo umano. Per ridurre i rischi per la salute introdotti dalle antenne indossabili, i valori SAR dovrebbero essere inferiori al livello regolamentato18,19. In letteratura sono state riportate diverse tecniche per ridurre la radiazione assorbita dal corpo e, di conseguenza, minimizzare il livello SAR20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33, 34,35,36. Una delle tecniche più comuni consiste nell'utilizzare un riflettore sotto l'antenna. Diverse strutture sono state utilizzate come riflettori come superfici ad alta impedenza (HIS)20, strutture con bandgap elettromagnetico (EBG)21,22,23,24,25,26 e superfici con conduttori magnetici artificiali (AMC)27,28,29,30,31 ,32,33,34,35,36. Queste strutture possono aumentare il guadagno dell'antenna e contribuire a ridurne significativamente il profilo complessivo rispetto all'uso di una struttura tradizionale di conduttore elettrico perfetto (PEC).

Tra le strutture riflettenti segnalate, le superfici AMC sono state ampiamente utilizzate per supportare antenne indossabili27,28,29,30,31,32,33,34,35,36. Nel 27 è stata introdotta un'antenna flessibile riconfigurabile supportata da una superficie AMC che funzionava a 2,4/3,3 GHz. Considerando un modello di gamba umana, i valori SAR valutati non superano 0,29 W/kg per entrambe le bande operative con un aumento del guadagno dell'antenna rispettivamente di 3,6 e 2,4 dB. Nel 28, è stata presentata un'antenna Yagi-Uda costruita su un substrato di lattice e combinata con una superficie AMC per funzionare a 2,4 GHz. Sono state utilizzate superfici AMC a strato singolo e doppio per ridurre al minimo il livello SAR di picco a 0,714 W/kg e aumentare il guadagno di picco fino a 1,8 dBi. Nel 30 sono state studiate le prestazioni di un'antenna indossabile su una superficie AMC basata sull'utilizzo di un tessuto conduttivo elasticizzato. Il design ha consentito all'antenna di coprire sia le bande di frequenza WiFi che quelle 4G di evoluzione a lungo termine (LTE).