A Miniaturized Wearable Textile UWB Monopole Antenna for RF Energy Harvesting

Abstract

У цій статті розроблена монопольна надширокодіапазонна (UWB) текстильна антена розмірами 80 x 60 мм2. Параметри антени проаналізовані для радіочастотного бездротового збирання енергії (RFEH). У передній площині пропонованої антени мікросмужкова лінія була модифікована шляхом включення прямокутних і напівкруглих прорізів. З іншого боку, нижня площина складається з часткової заземленої площини, а паразитна випромінювальна структура у формі ромба була включена на задній стороні підкладки, щоб використовувати доступний простір над частковою заземленням для отримання широких смуг пропускання імпедансу. Крім того, у цій конструкції використовуються текстильні матеріали для покращення гнучкості та зручності розробленої антени. Зі змодельованих результатів запропонована антена має широку смугу пропускання від 1,54 ГГц до 12,79 ГГц S11 ≤- 10 дБ. Крім того, максимальне підсилення становить 5,03 дБ, а пікова ефективність випромінювання - 95 %. Запропоновану конструкцію можна застосовувати для збирання радіочастотної енергії. Результати показують, що запропонована мініатюрна система UWB-антени може покривати вимоги до пропускної здатності цілих систем UWB (3,1-10,6 ГГц), а також підтримує кілька стандартів бездротового зв’язку, таких як Wi-Fi (2,4-2,484 ГГц, 5,15-5,35 ГГц, 5,725- 5,825 ГГц, 5,925–7,125 ГГц), 4G LTE (2,3–2,39 ГГц, 2,555–2,655 ГГц), діапазони Sub 6 ГГц 5G FR-1 NR (1–6 ГГц) і діапазон X (8–12 ГГц).

In this paper, a monopole Ultra-wide band (UWB) textile antenna is designed and analyzed for RF Wireless Energy Harvesting (RFEH). The intended antenna exhibits its excellent characteristics with a compact dimension of 80 x 60 mm2. In the front plane of the proposed antenna, the microstrip line fed enneagon (nonagon) shaped patch structure has been modified by incorporating rectangular and semi-circular shaped slots. On the other hand, the bottom plane consists of a partial ground plane and a rhombus shaped parasitic radiating structure has been incorporated at the backside of the substrate to utilize the available space above the partial ground to obtain wide impedance bandwidths. Moreover, textile materials are used in this design to improve flexibility and conformability of the designed antenna. From the simulated results, the proposed antenna achieves a wide impedance bandwidth from 1.54 GHz to 12.79 GHz S11 ≤ − 10 dB. Moreover, the maximum gain is 5.03 dB, and the peak radiation efficiency is 95 %. With merit characteristics, the proposed design can be well applied to harvest RF energy. The results show that the proposed miniaturized UWB antenna system can cover the bandwidth requirements of entire UWB systems (3.1-10.6 GHz) and also supports several wireless communication standards such as Wi-Fi (2.4-2.484 GHz, 5.15-5.35 GHz, 5.725-5.825 GHz, 5.925-7.125 GHz), 4G LTE (2.3-2.39 GHz, 2.555-2.655 GHz), Sub 6 GHz 5G FR-1 NR bands (1-6 GHz), and X-band (8-12 GHz).