Une antenne monopolaire en tissu de coton pour les applications portables

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7315 (2023) Citer cet article

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Une antenne monopolaire fonctionnant à 2,45 GHz et intégrée à un conducteur magnétique artificiel (AMC) pour les systèmes de communication portables est étudiée dans cet article. L'antenne proposée est composée d'un radiateur à boucle métallisée avec une ligne d'alimentation microruban à guide d'ondes coplanaire qui est fixée sur un substrat en tissu de coton. De plus, une surface AMC à base de coton est utilisée pour éliminer le rayonnement absorbé par le corps et améliorer le gain de l'antenne. Il est composé de 5 × 5 cellules unitaires gravées avec des fentes en forme de I. En utilisant cette configuration, les simulations montrent que le niveau du débit d’absorption spécifique (DAS) a été considérablement réduit. En considérant les parties du corps plates et arrondies, il a été constaté que les valeurs DAS moyennes sur 10 g à une distance de 1 mm du modèle de tissus n'étaient respectivement que de 0,18 W/kg et 0,371 W/kg. De plus, le gain de l'antenne a été amélioré jusqu'à 7,2 dBi avec une efficacité de rayonnement moyenne de 72 %. Une analyse détaillée avec des mesures expérimentales de l'antenne à base de coton pour différents scénarios de fonctionnement est présentée. Les données mesurées montrent une bonne corrélation avec les résultats de la simulation électromagnétique.

De nos jours, les WBAN sont utilisés dans les applications médicales et de santé1,2,3. Dans les systèmes WBAN, les antennes portables sont des composants essentiels utilisés pour la communication à proximité du corps humain4,5,6. Ce rôle exigeant se reflète dans les considérations prises en compte lors de la conception de tels types d'antennes. L’une de ces considérations est l’influence sur le comportement de résonance de l’antenne due à l’effet de charge des tissus corporels à haute permittivité7,8. D'un autre côté, lors de la conception des antennes, le choix des matériaux flexibles doit être pris en compte pour être utilisés à proximité des parties arrondies du corps humain. Plusieurs types d'antennes portables basées sur des matériaux flexibles sont étudiés et étudiés par les chercheurs, tels que le textile9, le substrat flexible10, les résonateurs diélectriques11, le polyimide12, le polydiméthylsiloxane13, le papier14 et le Kapton15. Parmi ces matériaux, les textiles sont préférés en raison de leur légèreté et de leur grande flexibilité d’intégration avec les vêtements16. Cependant, le processus de mise en œuvre d'antennes portables utilisant des tissus textiles comme substrats est plus difficile que l'utilisation de substrats conventionnels17.

Comme les antennes portables fonctionnent à proximité du corps humain, leur rayonnement peut endommager les tissus corporels. Cet effet est examiné en évaluant le niveau DAS en considérant une partie spécifique du corps humain. Pour réduire les risques pour la santé introduits par les antennes portables, les valeurs DAS doivent être inférieures au niveau réglementé18,19. Dans la littérature, plusieurs techniques ont été rapportées pour réduire le rayonnement absorbé par le corps et, par conséquent, minimiser le niveau DAS20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33, 34,35,36. L'une des techniques courantes consiste à utiliser un réflecteur sous l'antenne. Différentes structures ont été utilisées comme réflecteurs, telles que les surfaces à haute impédance (HIS)20, les structures à bande interdite électromagnétique (EBG)21,22,23,24,25,26 et les surfaces de conducteurs magnétiques artificiels (AMC)27,28,29,30,31. ,32,33,34,35,36. Ces structures peuvent augmenter le gain de l'antenne et contribuer à réduire considérablement son profil global par rapport à l'utilisation d'une structure traditionnelle à conducteur électrique parfait (PEC).

Parmi les structures de réflecteurs signalées, les surfaces AMC ont été largement utilisées pour soutenir les antennes portables27,28,29,30,31,32,33,34,35,36. En27, une antenne flexible reconfigurable dotée d'une surface AMC fonctionnant à 2,4/3,3 GHz a été introduite. En considérant un modèle de jambe humaine, les valeurs DAS évaluées ne dépassent pas 0,29 W/kg pour les deux bandes de fonctionnement avec une augmentation du gain de l'antenne de 3,6 et 2,4 dB, respectivement. Dans28, une antenne Yagi-Uda construite sur un substrat en latex et combinée à une surface AMC a été présentée pour fonctionner à 2,4 GHz. Des surfaces AMC à une et deux couches ont été utilisées pour minimiser le niveau maximal de DAS à 0,714 W/kg et augmenter le gain maximal jusqu'à 1,8 dBi. Dans30, les performances d'une antenne portable sur une surface AMC basée sur l'utilisation d'un tissu conducteur extensible ont été étudiées. La conception a permis à l’antenne de couvrir à la fois les bandes de fréquences WiFi et 4G à évolution à long terme (LTE).