Uma antena monopolo com tecido de algodão para aplicações vestíveis

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 7315 (2023) Citar este artigo

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Uma antena monopolo operada a 2,45 GHz e incorporada com condutor magnético artificial (AMC) para sistemas de comunicação vestíveis é investigada neste artigo. A antena proposta é composta por um radiador de loop metalizado com uma linha de alimentação de microfita coplanar de guia de onda que é fixada em um substrato de tecido de algodão. Além disso, uma superfície AMC à base de algodão é utilizada para eliminar a radiação absorvida pelo corpo e aumentar o ganho da antena. É composto por células unitárias de matriz 5 × 5 gravadas com ranhuras em forma de I. Usando esta configuração, as simulações mostram que o nível da taxa de absorção específica (SAR) foi significativamente reduzido. Considerando partes planas e arredondadas do corpo, constatou-se que os valores médios de SAR acima de 10 g a uma distância de 1 mm do modelo de tecidos foram de apenas 0,18 W/kg e 0,371 W/kg, respectivamente. Além disso, o ganho da antena foi melhorado para 7,2 dBi, com uma eficiência média de radiação de 72%. É apresentada uma análise detalhada com medições experimentais da antena à base de algodão para diferentes cenários de operação. Os dados medidos mostram uma boa correlação com os resultados da simulação eletromagnética.

Hoje em dia, as WBANs são aplicadas em aplicações médicas e de saúde1,2,3. Nos sistemas WBANs, antenas vestíveis são componentes vitais utilizados para comunicação próxima ao corpo humano4,5,6. Este papel desafiador se reflete nas considerações que se levam ao projetar tais tipos de antenas. Uma dessas considerações é a influência no comportamento da ressonância da antena devido ao efeito de carga do tecido corporal de alta permissividade . Por outro lado, no projeto de antenas, a escolha de materiais flexíveis deve ser considerada para serem utilizados próximos às partes arredondadas do corpo humano. Vários tipos de antenas vestíveis baseadas em materiais flexíveis são estudados e investigados por pesquisadores, como têxteis9, substrato flexível10, ressonadores dielétricos11, poliimida12, polidimetilsiloxano13, papel14 e Kapton15. Dentre esses materiais, os têxteis são preferidos devido à sua leveza e alta flexibilidade na integração com o vestuário16. Porém, o processo de implementação de antenas vestíveis utilizando tecidos têxteis como substratos é mais difícil em comparação ao uso de substratos convencionais .

Como as antenas vestíveis operam perto do corpo humano, sua radiação pode causar danos aos tecidos do corpo. Este efeito é examinado avaliando o nível de SAR considerando uma parte específica do corpo humano. Para reduzir os riscos à saúde introduzidos pelas antenas vestíveis, os valores de SAR devem estar abaixo do nível regulamentado18,19. Na literatura, diversas técnicas têm sido relatadas para reduzir a radiação absorvida pelo corpo e, consequentemente, minimizar o nível de SAR20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33, 34,35,36. Uma das técnicas comuns é usar um refletor abaixo da antena. Diferentes estruturas têm sido utilizadas como refletores, como superfícies de alta impedância (HISs)20, estruturas de bandgap eletromagnético (EBG)21,22,23,24,25,26 e superfícies de condutores magnéticos artificiais (AMC)27,28,29,30,31 ,32,33,34,35,36. Essas estruturas podem aumentar o ganho da antena e ajudar a reduzir significativamente seu perfil geral em comparação com o uso de uma estrutura tradicional de condutor elétrico perfeito (PEC).

Entre as estruturas refletoras relatadas, as superfícies AMC têm sido amplamente utilizadas para apoiar antenas vestíveis . Em 27, foi introduzida uma antena reconfigurável flexível apoiada em uma superfície AMC que funcionava em 2,4/3,3 GHz. Considerando um modelo de perna humana, os valores de SAR avaliados não excedem 0,29 W/kg para ambas as bandas de operação com aumento no ganho da antena em 3,6 e 2,4 dB, respectivamente. Em28, uma antena Yagi-Uda construída sobre um substrato de látex e combinada com uma superfície AMC foi apresentada para operar a 2,4 GHz. Superfícies AMC de camada única e dupla foram usadas para minimizar o nível de pico de SAR para 0,714 W/kg e aumentar o ganho de pico para 1,8 dBi. Em 30, foi investigado o desempenho de uma antena vestível sobre uma superfície AMC baseada no uso de um tecido condutor elástico. O design permitiu que a antena cobrisse as bandas de frequência WiFi e 4G de evolução de longo prazo (LTE).