Носимые печатные антенны на гибкой подложке для беспроводных нательных сетей медицинского назначения (обзор)

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347021070013

Ключові слова:

носимые печатные антенны, беспроводные нательные сети, WBAN, нательный, гибкая подложка, носимые антенны медицинского применения

Анотація

Беспроводные нательные сети WBAN (wireless body area network) обеспечивают связь с беспроводными устройствами и системами, находящимися на теле человека. Ключевым требованием к нательным антеннам является гибкость антенн для удобства их установки на теле. Носимые антенны изготавливаются на гибкой подложке, что дает возможность устанавливать антенны на теле человека. Благодаря тому, что эти антенны носят с собой, они используются во многих нательных приложениях. Характеристики возможности ношения также делают эти антенны подходящими для многих медицинских приложений на теле человека. В данной статье представлен технический обзор сетей WBAN, диапазонов частот WBAN, принципы работы носимых антенн, характеристики гибкой подложки, дизайн и разработка носимых антенн для медицинских приложений. Носимые антенны изготавливаются на текстильной основе. Подробно дан обзор свойств материалов различных гибких подложек. Из-за наличия воздуха в промежутках между текстильными тканями диэлектрическая проницаемость этих материалов очень низкая. Также представлен подробный анализ характеристик антенны, которые определяются свойствами гибкого материала подложки. Представлены разработки носимых антенн WBAN медицинского применения. В данной работе также рассматриваются вопросы проектирования, методы изготовления, поставленные задачи и предлагаемые решения для носимых печатных антенн.

Посилання

E. G. Lim et al., “Wearable textile substrate patch antennas,” Eng. Lett., vol. 22, no. 2, pp. 94–101, 2014, uri: http://www.engineeringletters.com/issues_v22/issue_2/EL_22_2_08.pdf.

T. U. Pathan, R. K. Karn, “Research of wearable textile antennas for WBAN applications,” Int. J. Eng. Adv. Technol., vol. 8, no. 6S3, pp. 1347–1351, 2019, doi: https://doi.org/10.35940/ijeat.F1237.0986S319.

S. Ayed, L. Chaari, A. Fares, “A survey on trust management for WBAN: Investigations and future directions,” Sensors, vol. 20, no. 21, p. 6041, 2020, doi: https://doi.org/10.3390/s20216041.

“Wireless Body Area Network-IEEE 802.15.6 WBAN Basics.” https://www.rfwireless-world.com/Tutorials/WBAN-IEEE-802-15-6-tutorial.html.

J. C. Wang, “Review of wearable antennas for WBAN applications,” IAENG Int. J. Comput. Sci., vol. 43, no. 4, pp. 474–480, 2016, uri: http://www.iaeng.org/IJCS/issues_v43/issue_4/IJCS_43_4_10.pdf.

C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design. New Jersey: Wiley, 2016, uri: https://www.wiley.com/en-us/Antenna+Theory%3A+Analysis+and+Design%2C+4th+Edition-p-9781118642061.

P. Kumar, “Computation of resonant frequency of gap-coupled ring microstrip antennas,” Int. J. Autom. Comput., vol. 11, no. 6, pp. 671–675, 2014, doi: https://doi.org/10.1007/s11633-014-0814-5.

I. Ang, B. L. Ooi, “An ultra-wideband stacked microstrip patch antenna,” Microw. Opt. Technol. Lett., vol. 49, no. 7, pp. 1659–1665, 2007, doi: https://doi.org/10.1002/mop.22555.

M. Ihamji, E. H. Abdelmounim, J. Zbitou, H. Bennis, M. Latrach, “Design of a miniature microstrip antenna with DGS structure for RFID tag,” in Lecture Notes in Networks and Systems, 2020, pp. 88–99.

M. Mabaso, P. Kumar, “A dual band patch antenna for bluetooth and wireless local area networks applications,” Int. J. Microw. Opt. Technol., vol. 13, no. 5, pp. 393–400, 2018, uri: https://www.ijmot.com/VOL-13-NO-5.aspx.

Д. Бора, Т. А. Шейк, С. Рой, “Компактная трехдиапазонная антенна с копланарным питанием и дефектной структурой экрана для GSM, WLAN и WiMAX,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 59, no. 7, p. 51, 2016, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347016070050.

P. Kumar, “Design of low cross-polarized patch antenna for ultra-wideband applications,” Int. J. Commun. Antenna Propag., vol. 7, no. 4, p. 265, 2017, doi: https://doi.org/10.15866/irecap.v7i4.10435.

K. K. Kumar, M. Pavani, “Design of a compact rectangular patch antenna using defected ground structure,” Int. J. Commun. Antenna Propag., vol. 7, no. 4, p. 282, 2017, doi: https://doi.org/10.15866/irecap.v7i4.12389.

P. Kumar, “Single feed dual polarized patch antennas for ultra-wideband applications,” Int. Rev. Electr. Eng., vol. 14, no. 4, p. 284, 2019, doi: https://doi.org/10.15866/iree.v14i4.16154.

W. J. Krzysztofik, T. N. Cao, “Metamaterials in application to improve antenna parameters,” in Metamaterials and Metasurfaces, IntechOpen, 2019.

К. Инамдар, Е. П. Коста, С. С. Патнаик, “Микрополосковая антенна на подложке из перекрестного метаматериала с улучшенными усилением и широкополосностью,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 58, no. 2, pp. 26–35, 2015, doi: https://doi.org/10.20535/S002134701502003X.

B. T. P. Madhav, A. V. Chaitanya, R. Jayaprada, M. Pavani, “Circular monopole slotted antenna with FSS for high gain applications,” ARPN J. Eng. Appl. Sci., vol. 11, no. 15, pp. 9022–9028, 2016.

B. W. Ngobese, P. Kumar, “A high gain microstrip patch array for 5 GHz WLAN applications,” Adv. Electromagn., vol. 7, no. 3, pp. 93–98, 2018, doi: https://doi.org/10.7716/aem.v7i3.783.

S. G. Kirtania et al., “Flexible antennas: a review,” Micromachines, vol. 11, no. 9, p. 847, 2020, doi: https://doi.org/10.3390/mi11090847.

R. Salvado, C. Loss, R. Gonçalves, P. Pinho, “Textile materials for the design of wearable antennas: a survey,” Sensors, vol. 12, no. 11, pp. 15841–15857, 2012, doi: https://doi.org/10.3390/s121115841.

S. Zhu, R. Langley, “Dual-band wearable textile antenna on an EBG substrate,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 57, no. 4, pp. 926–935, 2009, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2009.2014527.

N. Singh, A. K. Singh, V. K. Singh, “Design & performance of wearable ultra wide band textile antenna for medical applications,” Open Eng., vol. 5, no. 1, p. 0, 2015, doi: https://doi.org/10.1515/eng-2015-0012.

S. M. Shah, N. F. A. Kadir, Z. Z. Abidin, F. C. Seman, S. A. Hamzah, N. Katiran, “A 2.45 GHz semi-flexible wearable antenna for industrial, scientific and medical band applications,” Indones. J. Electr. Eng. Comput. Sci., vol. 15, no. 2, p. 814, 2019, doi: https://doi.org/10.11591/ijeecs.v15.i2.pp814-822.

A. Sivabalan, P. Jothilakshmi, “Micro strip wearable O-shaped reconfigurable antenna for medical applications,” Int. J. Recent Technol. Eng., vol. 8, no. 1, 2019.

A. Y. I. Ashyap, Z. Zainal Abidin, S. H. Dahlan, H. A. Majid, G. Saleh, “Metamaterial inspired fabric antenna for wearable applications,” Int. J. RF Microw. Comput. Eng., vol. 29, no. 3, p. e21640, 2019, doi: https://doi.org/10.1002/mmce.21640.

B. Mohamadzade, R. M. Hashmi, R. B. V. B. Simorangkir, R. Gharaei, S. Ur Rehman, Q. H. Abbasi, “Recent advances in fabrication methods for flexible antennas in wearable devices: state of the art,” Sensors, vol. 19, no. 10, p. 2312, 2019, doi: https://doi.org/10.3390/s19102312.

Y. Li, Z. Zhang, Z. Feng, H. R. Khaleel, “Fabrication and Measurement Techniques of Wearable and Flexible Antennas,” 2014, pp. 7–23.

“Flexography.” https://www.csus.edu/indiv/c/cunninghamk/links/lectures/flexo_gravure.pdf.

“Evaporation.” http://www.fen.bilkent.edu.tr/~aykutlu/msn551/evaporation.

M. Nisha, S. Sai Shweta, G. T. Selvi, A. M. Bose, “Wearable textile patch antenna: with co-planar waveguide (CPW) feed for medical applications,” Int. J. Adv. Sci. Eng. Technol., vol. 6, no. 2, pp. 67–70, 2018, uri: http://ijaseat.iraj.in/paper_detail.php?paper_id=12445.

R. Kumar, J. Singh, B. S. Sohi, “Hexagonal shaped body wearable textile antenna on EBG substrate material,” Int. J. Comput. Sci. Mob. Comput., vol. 5, no. 6, pp. 260–266, 2016, uri: https://www.ijcsmc.com/docs/papers/June2016/V5I6201667.pdf.

H. Dawood, M. Zahid, H. Awais, S. Shoaib, A. Hussain, A. Jamil, “A high gain flexible antenna for biomedical applications,” in 2020 International Conference on Electrical, Communication, and Computer Engineering (ICECCE), 2020, pp. 1–4, doi: https://doi.org/10.1109/ICECCE49384.2020.9179186.

C. Du, G. Jin, “A compact CPW-fed band-notched UWB-MIMO flexible antenna for WBAN application,” J. Electromagn. Waves Appl., vol. 35, no. 8, pp. 1046–1058, 2021, doi: https://doi.org/10.1080/09205071.2020.1868354.

A. Y. I. Ashyap et al., “Via-less electromagnetic band-gap-enabled antenna based on textile material for wearable applications,” PLOS ONE, vol. 16, no. 1, p. e0246057, 2021, doi: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0246057.

A. Alomainy, Y. Hao, D. M. Davenport, “Parametric study of wearable antennas with varying distances from the body and different on-body positions,” in IET Seminar on Antennas and Propagation for Body-Centric Wireless Communications, 2007, pp. 84–89, doi: https://doi.org/10.1049/ic:20070552.

J. Li, Z. Nie, Y. Liu, L. Wang, Y. Hao, “Evaluation of propagation characteristics using the human body as an antenna,” Sensors, vol. 17, no. 12, p. 2878, 2017, doi: https://doi.org/10.3390/s17122878.

D. Wen, Y. Hao, M. O. Munoz, H. Wang, H. Zhou, “A compact and low-profile MIMO antenna using a miniature circular high-impedance surface for wearable applications,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 66, no. 1, pp. 96–104, 2018, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2017.2773465.

M. M. Khan, “Compact planar inverted F antenna (PIFA) for smart wireless body sensor networks,” in Proceedings of 7th International Electronic Conference on Sensors and Applications, 2020, p. 8253, doi: https://doi.org/10.3390/ecsa-7-08253.

A. R. H. Alhawari, A. H. M. Almawgani, A. T. Hindi, H. Alghamdi, T. Saeidi, “Metamaterial-based wearable flexible elliptical UWB antenna for WBAN and breast imaging applications,” AIP Adv., vol. 11, no. 1, p. 015128, 2021, doi: https://doi.org/10.1063/5.0037232.

G. K. Das, S. Basu, B. Mandal, D. Mitra, R. Augustine, M. Mitra, “Gain‐enhancement technique for wearable patch antenna using grounded metamaterial,” IET Microwaves, Antennas Propag., vol. 14, no. 15, pp. 2045–2052, 2020, doi: https://doi.org/10.1049/iet-map.2020.0083.

D. Wen, Y. Hao, H. Wang, H. Zhou, “Design of a wideband antenna by manipulating characteristic modes of a metallic loop,” Microw. Opt. Technol. Lett., vol. 61, no. 2, pp. 513–518, 2019, doi: https://doi.org/10.1002/mop.31560.

D. Wen, Y. Hao, H. Wang, H. Zhou, “Design of a MIMO antenna with high isolation for smartwatch applications using the theory of characteristic modes,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 67, no. 3, pp. 1437–1447, 2019, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2018.2884849.

Геометрия носимой антенны СШП

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-07-27 — Оновлено 2021-07-27

Як цитувати

Кумар, П., Али, Т., & Шарма, А. (2021). Носимые печатные антенны на гибкой подложке для беспроводных нательных сетей медицинского назначения (обзор). Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 64(7), 395–410. https://doi.org/10.20535/S0021347021070013

Номер

Том 64 № 7 (2021)

Розділ

Оглядові статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2021 Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка

Издатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.

Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).

Варианты доступа к статье:

1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)

В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).

2. Статья с последующим доступом по подписке

В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.

  • Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
  • Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
  • Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
  • Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
  • Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
  1. Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
  2. Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
  3. Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
  4. Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
  • Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
  • Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
  • Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
  • Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
  • Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
  • В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
  • Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
  • Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.