Design and Simulation of Novel Multi-Band Planar Inverted F-Antenna for Close-range IoT Applications

Abstract

Планарна обернена F-антена (PIFA) є однією з нових технологій, що підходить для різноманітних мобільних додатків. Незважаючи на те, що ці антени здатні охоплювати широкий спектр застосувань у бездротових службах, вони розроблені для багатодіапазонних частот. Щоб покращити застосування в області бездротового зв’язку, антену інтегровано з пристроями IoT (Інтернет речей). Компактний розмір і низький профіль антени PIFA є помітною особливістю, що підвищує її придатність для інтеграції в невеликі пристрої. У цьому дослідницькому документі ми запропонували багатодіапазонну планарну перевернуту F-подібну антену (PIFA), спеціально розроблену для загальних додатків Інтернету речей (IoT) на близькій відстані. Запропонована розроблена антена забезпечує середній коефіцієнт посилення 2,62 дБі із зворотними втратами – 20 дБ, а її робочі смуги смуг 2,40–2,45 ГГц, 3,9–4,3 ГГц і 5–5,2 ГГц охоплюють смугу частот Zigbee, Bluetooth і Wi-Fi. програми. Його багатодіапазонна частотна характеристика досягається шляхом вставки L-подібних прорізів різної довжини на випромінювальну ділянку антени PIFA, що дозволяє точно налаштовувати робочі частоти. У конструкції антени резонансні частоти для кожного діапазону контролюються шляхом маніпулювання довжиною відповідних щілин. Окрім бажаної частоти та підсилення, у статті оцінюються ключові параметри, зокрема смуга пропускання, спрямованість і діаграми спрямованості за допомогою середовища моделювання CST, і забезпечується точність прогнозування параметрів ефективності антени.

Planar inverted F antenna (PIFA) is one of the emerging technologies suited for various mobile applications. Though it is capable of covering a wide range of applications in wireless services, these antennas are designed for multi-band frequencies. To enhance its applications in the areas of wireless communication, an antenna is integrated with IoT (Internet of Things) devices. The compact size and low profile of the PIFA antenna is a notable feature, enhancing its suitability for integration into small devices. In this research paper, we proposed a Multi-Band Planar Inverted F-Shaped Antenna (PIFA) specifically designed for general close-range Internet of Things (IoT) applications. The proposed designed antenna produces an average gain of 2.62 dBi with a return loss of – 20 dB and its operating bandwidths are 2.40 – 2.45 GHz, 3.9 – 4.3 GHz, and 5 – 5.2 GHz covering Zigbee, Bluetooth, and Wi-Fi frequency band applications. Its multi-band frequency response is obtained by inserting an L-shaped slots of various lengths on a radiating patch of PIFA antenna, allowing for precise tuning of operation frequencies. In the design of an antenna, the resonance frequencies for each band are controlled by manipulating the lengths of the corresponding slots. In addition to the desired frequency and gain, the paper evaluates key parameters including bandwidth, directivity, and radiation patterns with the help CST simulation environment and ensures accuracy in predicting the antenna's performance parameters.