ウェアラブル用途向けの綿生地素材を使用したモノポール アンテナ

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7315 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この記事では、2.45 GHz で動作し、ウェアラブル通信システム用の人工磁気導体 (AMC) が埋め込まれたモノポール アンテナについて調査します。 提案されたアンテナは、綿布素材の基板に貼り付けられたコプレーナ導波路マイクロストリップ給電線を備えた金属化ループラジエーターで構成されています。 同様に、コットンベースの AMC 表面を利用して、人体が吸収する放射を除去し、アンテナの利得を高めます。 これは、I 字型スロットがエッチングされた 5 × 5 アレイのユニット セルで構成されています。 この構成を使用したシミュレーションでは、比吸収率 (SAR) レベルが大幅に低減されたことが示されています。 平坦な身体部分と丸い身体部分を考慮すると、組織モデルから 1 mm 離れた距離で 10 g にわたって平均した SAR 値は、それぞれわずか 0.18 W/kg と 0.371 W/kg であることがわかりました。 さらに、アンテナ利得は 7.2 dBi まで向上し、平均放射効率は 72% になりました。 さまざまな運用シナリオに対する綿ベースのアンテナの実験測定による詳細な分析が紹介されています。 測定データは電磁シミュレーション結果と良好な相関を示しています。

現在、WBAN はヘルスケアおよび医療用途に適用されています 1、2、3。 WBAN システムでは、ウェアラブル アンテナは人体の近くでの通信に使用される重要なコンポーネントです4、5、6。 この困難な役割は、このような種類のアンテナを設計する際の考慮事項に反映されています。 これらの考慮事項の 1 つは、高誘電率の身体組織の負荷効果によるアンテナの共振挙動への影響です 7,8。 一方、アンテナの設計では、人体の丸い部分の近くで利用することを考慮して、柔軟な素材を選択する必要があります。 フレキシブルな材料をベースにした数種類のウェアラブル アンテナが、テキスタイル 9、フレキシブル基板 10、誘電体共振器 11、ポリイミド 12、ポリジメチルシロキサン 13、紙 14、Kapton 15 などの研究者によって研究および調査されています。 これらの素材の中でも、軽量で衣服と一体化する際の柔軟性が高いため、テキスタイルが好ましい16。 しかし、織物を基板として使用するウェアラブルアンテナの実装プロセスは、従来の基板の使用と比較してより困難です17。

ウェアラブル アンテナは人体の近くで動作するため、その放射により体組織に損傷を与える可能性があります。 この効果は、人体の特定の部分を考慮して SAR レベルを評価することで検証されます。 ウェアラブル アンテナによってもたらされる健康リスクを軽減するには、SAR 値が規制レベルを下回る必要があります 18,19。 文献では、人体に吸収される放射線を低減し、その結果として SAR レベルを最小限に抑えるためのいくつかの技術が報告されています 20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33。 34、35、36。 一般的な手法の 1 つは、アンテナの下に反射板を使用することです。 高インピーダンス表面（HIS）20、電磁バンドギャップ（EBG）構造21、22、23、24、25、26、人工磁気導体（AMC）表面27、28、29、30、31などのさまざまな構造が反射体として利用されています。 、32、33、34、35、36。 これらの構造は、従来の完全電気導体 (PEC) 構造の使用と比較して、アンテナの利得を増加させ、全体のプロファイルを大幅に縮小するのに役立ちます。

報告されている反射板構造の中で、AMC 表面はウェアラブル アンテナの裏打ちに広く使用されています 27、28、29、30、31、32、33、34、35、36。 In27 では、2.4/3.3 GHz で動作する AMC 表面を備えた柔軟な再構成可能なアンテナが導入されました。 人間の脚モデルを考慮すると、アンテナ ゲインがそれぞれ 3.6 dB と 2.4 dB 増加しても、評価された SAR 値は両方の動作帯域で 0.29 W/kg を超えません。 28 年には、ラテックス基板上に構築され、AMC 表面と組み合わせられた八木・宇田アンテナが 2.4 GHz で動作することが発表されました。 単層および二層の AMC 表面を使用して、ピーク SAR レベルを 0.714 W/kg に最小化し、ピーク ゲインを 1.8 dBi まで増加させました。 30 年には、伸縮性導電性生地の使用に基づいた AMC 表面上のウェアラブル アンテナの性能が調査されました。 この設計により、アンテナは WiFi と 4G ロングターム エボリューション (LTE) の両方の周波数帯域をカバーできるようになりました。