Design of a Flexible Rectangular Antenna Array with High Gain for RF Energy Harvesting and Wearable Devices

Abstract

Гнучка радіочастотна електроніка та антени, виготовлені з текстилю, вважаються технологією, яка прискорює широку популярність сучасних переносних комунікаційних пристроїв і компонентів. У даній статті представлено гнучку та компактну прямокутну мікросмужкову антенну решітку 4 x 1 для застосування радіочастотної (РЧ) енергії. Вона працює на частоті 5 ГГц і має високий коефіцієнт підсилення. Запропонована антена включає в себе техніку вставного живлення для покращення узгодження імпедансу та використовує провідну тканину (E-текстиль) як провідник разом із текстилем як підкладку. Живильні та випромінювальні структури розроблені з використанням електропровідних текстильних матеріалів типу Stick E shield, які мають провідність 5 x 105 С/м і мають товщину 0,085 мм. Цей дизайн повністю покладається на текстильні матеріали для забезпечення комфорту користувача, простоти виробництва та економічної ефективності. Симулятор Ansys HFSS, який використовує метод кінцевих елементів, був використаний для оптимізації конструкції антени. Запропонована конфігурація була перевірена за допомогою симулятора CST MWS, який використовує метод кінцевої інтеграції. Дослідження мало на меті досягти високого підсилення та надійних характеристик розробленої антени. Результати моделювання демонструють чудову продуктивність у робочому діапазоні з шириною смуги опору 6,78 % і високим коефіцієнтом підсилення 14,54 дБл на 5 ГГц, що робить його добре придатним для збору радіочастотної енергії та додатків мобільних пристроїв.

Flexible RF electronics and antennas made from textiles are regarded as a technology that accelerates the widespread popularity of modern wearable communication devices and components. This work presents a flexible and compact 4 x 1 rectangular microstrip patch array antenna for radio frequency (RF) energy harvesting applications. It operates at 5 GHz and has a high gain. The proposed antenna incorporates the inset feed technique to improve impedance matching and employs a conductive fabric (E-textile) as a conductor, along with textile as a substrate. The feeding and radiating structures are designed by using stick E shield conductive textiles that possess a conductivity of 5 x 105 S/m and are 0.085 mm thick. This design relies entirely on textile materials to ensure the user's comfort, ease of production, and cost-effectiveness. The Ansys HFSS simulator, which employs the finite element method, was utilized to optimize the antenna design. Subsequently, the suggested configuration was verified using the CST MWS simulator, which utilizes the finite integration method. The study aimed to achieve high gain and robust performance from the designed antenna. The simulation results demonstrate excellent performance within the operating band, with an impedance bandwidth of 6.78% and a high gain of 14.54 dBi at 5 GHz, making it well-suited for radiofrequency (RF) energy harvesting and wearable device applications.