Development of a Compact Patch Antenna with Ladder-Slot Configuration for Wearable Applications Towards WBAN / ISM Band

Abstract

У цій статті представлено компактну патч-антену з конфігурацією драбинчастого слота, призначену для застосування в носимих пристроях. Мініатюрність антени досягається за рахунок часткового заземлення та прорізів на накладці. Працюючи в діапазоні частот від 1,5 ГГц (нижня межа) до 3,8 ГГц (верхня межа), він охоплює бездротову мережу на тілі (WBAN) і промислові, наукові та медичні (ISM) діапазони частот. Вона розроблена на основі епоксидної смоли FR-4 з діелектричною проникністю (ɛr) 4,4 і товщиною 1,6 мм, антена резонує саме на 2,4 ГГц. Ця резонансна частота може похвалитися вражаючою смугою пропускання імпедансу 2,3 ГГц (еквівалентно 86,80 %), зберігаючи при цьому компактний розмір 0,42λ x 0,40λ мм2. Примітно, що антена демонструє чудові властивості, такі як висока спрямованість, сприятливі рівні крос-поляризації та ефективність на її резонансній частоті. Ці особливості позиціонують його як сильного кандидата на роботу в додатках Інтернету речей (IoT) як у WBAN, так і в діапазоні ISM. Це можна використовувати в мобільних телефонах, пристроях Bluetooth, пристроях Wi-Fi, бездротовому зв’язку та програмах, які можна носити. Невеликий розмір антени, економічна ефективність, всеспрямована діаграма спрямованості та надійні характеристики дальнього поля роблять її перспективним вибором для носимих пристроїв.

This paper introduces a compact patch antenna with ladder-slot configuration designed for wearable applications. The antenna achieves miniaturization through the incorporation of partial ground and slots on the patch. Operating within the frequency range of 1.5 GHz (lower limit) to 3.8 GHz (upper limit), it covers the wireless body area network (WBAN) and the industrial, scientific, and medical (ISM) frequency bands. It’s designed on an epoxy FR-4 substrate with a dielectric constant (ɛr) of 4.4 and a thickness of 1.6 mm, the antenna resonates specifically at 2.4 GHz. This resonating frequency boasts an impressive impedance bandwidth of 2.3 GHz (equivalent to 86.80%), while maintaining a compact size of 0.42λ x 0.40λ mm2. Notably, the antenna exhibits remarkable attributes such as high directivity, favorable cross-polarization levels, and efficiency at its resonating frequency. These features position it as a strong candidate for employment in both WBAN and ISM band Internet of Things (IoT) applications. This can be used in Mobile phones, Bluetooth devices, Wi-Fi Devices, wireless communication and Wearable applications. The antenna's small size, costeffectiveness, omnidirectional radiation pattern, and reliable far-field characteristics make it a promising choice for wearable applications.