A Coplanar Waveguide-Fed Highly Efficient Miniaturized Conformal Triple Band Antenna for Bio-Medical Applications

Abstract

У роботі представлена компактна тридіапазонна друкована конформна антена на основі копланарного хвилеводу (CPW) для застосування в медицині. Щоб досягти узгодження імпедансу, компланарна структура використовується із заземленням на одній площині, і це друкується на верхньому шарі поліімідної підкладки товщиною 0,6 мм. Пропонована конформна антена складається з двох однакових накладних елементів. Випромінювальний елемент складається з двох розділених кільцевих резонаторів, розташованих у верхній частині живильного елемента. Запропонована накладна антена має загальний мініатюрний розмір лише 35 x 37,5 мм2, що робить її ідеальною для використання в біомедичній галузі. Розроблена антена здатна охоплювати різний діапазон діапазону від 2,387-2,618 ГГц, 4,2-4,64 ГГц і 6,23- 6,56 ГГц із співвідношенням стоячих хвиль напруги 2:1. Розроблена антена виготовляється, параметри антени вимірюються, що корелюється з результатами моделювання. Антена досягає загального посилення близько 5 дБі з ефективністю випромінювання до 95 % у різних робочих спектрах. Для підтвердження конформності на вигнутих поверхнях виготовлений прототип запропонованої антени згинається під кутами 30°, 45, 90°, а результати вимірювань порівнюються з результатами моделювання аналізу вигину. Крім того, щоб перевірити ефективність антени, за допомогою моделювання було розраховано питомий коефіцієнт поглинання, і виявлено, що він нижчий за 1 Вт/кг у всіх трьох діапазонах спектру, що доводить, що запропонована біомедична антена може бути використана для застосування в мікрохвильовому діапазоні.

A compact co-planar waveguide (CPW) based triple-band printed conformal antenna for on-body applications is presented in this research. In order to accomplish impedance matching, a coplanar structure is employed with the ground on the same plane, and this is printed on the top layer of a polyimide substrate of 0.6 mm thickness. The proposed conformal antenna consists of two identical patch elements. The radiating element is made up of two split ring resonators positioned on the top of the feeding element. The suggested on-body antenna has an overall miniaturized size of only 35 x 37.5 mm2, making it ideal for use in the biomedical field. The designed antenna is capable to cover various spectrum spanning from 2.387-2.618 GHz, 4.2-4.64 GHz, and 6.23-6.56 GHz with a 2:1 voltage standing wave ratio. The designed antenna is fabricated and antenna parameters are measured which is correlated with simulated results. The antenna achieves a total gain of around 5 dBi with radiation efficiency of up to 95 % over the various operating spectrums. To validate the conformality over curved surfaces, the fabricated prototype of the proposed antenna is bent at 30°, 45, 90° angles and the measured results are compared with simulation results of the bending analysis. Furthermore, to validate the on-body performance of the antenna Specific Absorption Rate has been calculated through simulation and it is found to be lower than 1 W/Kg over all three bands of spectrums which proves that the proposed bio-medical antenna could be a viable candidate for microwave imaging applications.