Czasopismo | PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY | Rocznik 2024 - zeszyt 9

Design of an elliptical arc-shaped antenna at 37 GHz and performance analysis for 5G on-body application

Projekt eliptycznej anteny łukowej o częstotliwości 37 GHz i analiza wydajności dla zastosowań 5G na ciele

10.15199/48.2024.09.52

nr katalogowy: 150391
10.15199/48.2024.09.52

Streszczenie

This paper presents a compact 5G wideband antenna designed for body-centric networks (BCN) operating on the Ka band. The antenna design includes a simple arc-shaped radiator patch with full ground plane and transformer impedance feedline. Computer Simulation Technology (CST) Microwave Studio Suite, a reliable electromagnetic simulation program, is used for the antenna's design and simulation. The antenna was simulated in free-space, and its resonant frequency is found to be 37 GHz, falling within the Ka band and 5G's n260. The proposed antenna has a size of 37.4 mm3, and it offers a wide impedance bandwidth of over 5.7 GHz (34.3-40 GHz). At the resonant point, the antenna exhibits a gain of 4.48 dBi and unidirectional radiation pattern. Parametric studies demonstrated that by reducing the arc width, the antenna bandwidth can be improved but with destroying impedance matching. The antenna is proposed for use in body area network applications. To evaluate its on-body performance, a muscle equivalent body model is virtually developed. The on-body performance is assessed by placing the antenna in close proximity to body model. The results of the on-body simulations showed that at 37 GHz, the reflection coefficient is 29.5 dB ensuring good impedance matching. The simulated on-body gain is found to be 7.05 dBi. A distance based investigation is conducted to study the impact of the human body's presence on the antenna's behavior. The antenna was positioned at four different distances from the human model to compare the results and assess the effects of distance. The on-body simulations showed consistent results with slight deviations, even when the distance from the human body was varied.

Abstract

W artykule przedstawiono kompaktową antenę szerokopasmową 5G przeznaczoną do sieci typu body-centric (BCN) pracujących w paśmie Ka. Konstrukcja anteny obejmuje prosty patch grzejnika w kształcie łuku z pełną płaszczyzną uziemienia i linią zasilającą o impedancji transformatora. Do projektowania i symulacji anteny wykorzystywana jest technologia symulacji komputerowej (CST) Microwave Studio Suite, niezawodny program do symulacji elektromagnetycznej. Antenę symulowano w wolnej przestrzeni, a jej częstotliwość rezonansowa wynosi 37 GHz i mieści się w paśmie Ka oraz n260 5G. Proponowana antena ma rozmiar 37,4 mm3 i oferuje szerokie pasmo impedancji przekraczające 5,7 GHz (34,3-40 GHz). W punkcie rezonansowym antena wykazuje zysk 4,48 dBi i jednokierunkową charakterystykę promieniowania. Badania parametryczne wykazały, że zmniejszając szerokość łuku, można poprawić szerokość pasma anteny, ale ze zniszczeniem dopasowania impedancji. Antena jest proponowana do stosowania w zastosowaniach sieciowych obejmujących obszar ciała. Aby ocenić jego działanie na ciele, wirtualnie opracowano model ciała równoważny mięśniom. Działanie na ciele ocenia się umieszczając antenę w pobliżu modelu ciała. Wyniki symulacji prowadzonych na ciele wykazały, że przy częstotliwości 37 GHz współczynnik odbicia wynosi 29,5 dB, co zapewnia dobre dopasowanie impedancji. Stwierdzono, że symulowane wzmocnienie na ciele wynosi 7,05 dBi. Przeprowadza się badanie oparte na odległości w celu zbadania wpływu obecności ludzkiego ciała na zachowanie anteny. Antenę umieszczono w czterech różnych odległościach od modelu człowieka, aby porównać wyniki i ocenić wpływ odległości. Symulacje na ciele wykazały spójne wyniki z niewielkimi odchyleniami, nawet przy różnej odległości od ciała ludzkiego.

Słowa kluczowe

Keywords

Bibliografia

[1]. A, Segun and A. Telukdarie, "Revolutionizing Healthcare Delivery Through Wireless Wearable Antenna Frameworks: Current Trends and Future Prospects," in IEEE Access, vol. 11, pp. 80327-80347, 2023, doi: 10.1109/ACCESS.2023.3298951.
[2]. Ahmed Jamal Abdullah Al-Gburi, Mohd Muzafar Ismail, Naba Jasim Mohammed, and Thamer A. H. Alghamdi, "SAR Flexible Antenna Advancements: Highly Conductive Polymer- Graphene Oxide-Silver Nanocomposites," Progress In Electromagnetics Research M, Vol. 127, 23-30, 2024. doi:10.2528/PIERM24011202.
[3]. Al-Gburi, Ahmed Jamal Abdullah, Mohd Muzafar Ismail, Naba Jasim Mohammed, Akash Buragohain, and Khaled Alhassoon, "Electrical conductivity and morphological observation of hybrid filler: Silver-graphene oxide nanocomposites for wearable antenna," Optical Materials, Vol. 148, 114882, 2024.
[4]. Saeidi, Tale, Ahmed Jamal Abdullah Al-Gburi, and Saeid Karamzadeh, "A miniaturized full-ground dual-band MIMO spiral button wearable antenna for 5G and sub-6 GHz communications," Sensors, Vol. 23, No. 4, 1997, 2023.
[5]. Ahmad, Sarosh, Hichem Boubakar, Salman Naseer, Mohammad Ehsanul Alim, Yawar Ali Sheikh, Adnan Ghaffar, Ahmed Jamal Abdullah Al-Gburi, and Naser Ojaroudi Parchin, "Design of a tri-band wearable antenna for millimeter-wave 5G applications," Sensors, Vol. 22, No. 20, 8012, Oct. 2022.
[6]. Butt, Arslan Dawood, Jalal Khan, Sarosh Ahmad, Adnan Ghaffar, Ahmed Jamal Abdullah Al-Gburi, and Mousa Hussein, "Single-fed broadband CPW-fed circularly polarized implantable antenna for sensing medical applications," Plos One, Vol. 18, No. 4, e0280042, 2023.
[7]. Elabd, Rania Hamdy and Ahmed Jamal Abdullah Al-Gburi, "SAR assessment of miniaturized wideband MIMO antenna structure for millimeter wave 5G smartphones," Microelectronic Engineering, Vol. 282, 112098, 2023.
[8]. Zaki, A.Z.A.; Hamad, E.K.I.; Abouelnaga, T.G.; Elsadek, H.A.; Khaleel, S.A.; Al-Gburi, A.J.A.; Zakaria, Z. Design and Modeling of Ultra-Compact Wideband Implantable Antenna for Wireless ISM Band. Bioengineering 2023, 10, 216. https://doi.org/10.3390/bioengineering10020216
[9]. Singh, Inderbir, Ashish K. Rehni, Rohit Kalra, Gaurav Joshi, Manoj Kumar, and Hassan Y. Aboul-Enein. "Ion exchange resins: Drug delivery and therapeutic applications." Fabad Journal of Pharmaceutical Sciences 32, no. 2 (2007): 91.
[10]. Mani, P. Manickam, Y. Alotaibi, S. Alghamdi, and O. I. Khalaf, “Hyperledger healthchain: patient-centric IPFS-based storage of health records,” Electronics, vol. 10, no. 23, p. 3003, 2021.
[11]. S. Sengan, O. I. Khalaf, G. R. Rao, D. K. Sharma, K. Amarendra, and A. A. Hamad, “Security-aware routing on wireless communication for E-health records monitoring using machine learning,” International Journal of Reliable and Quality E-Healthcare (IJRQEH), vol. 11, no. 3, pp. 1–10, 2022.
[12]. S. Sengan, O. I. Khalaf, S. Priyadarsini, D. K. Sharma, K. Amarendra, and A. A. Hamad, “Smart healthcare security device on medical IoT using Raspberry Pi,” International Journal of Reliable and Quality E-Healthcare (IJRQEH), vol. 11, no. 3, pp. 1–11, 2022.
[13]. Abdullah Al-Gburi, Ahmed Jamal. "5G MIMO Antenna: Compact Design at 28/38 GHz with Metamaterial and SAR Analysis for Mobile Phones." Przeglad Elektrotechniczny 2024.4 (2024).
[14]. A. Tavera, J. H. Ortiz, O. I. Khalaf, D. F. Saavedra, and T. H. Aldhyani, “Wearable wireless body area networks for medical applications,” Computational and Mathematical Methods in Medicine, vol. 2021, Article ID 5574376, 9 pages, 2021.
[15]. U. Farooq and G. M. Rather, “A miniaturised Ka/V dual band millimeter wave antenna for 5G body centric network applications,” Alexandria Engineering Journal, vol. 61, no. 10, pp. 8089–8096, 2022.
[16]. M. Ur-Rehman, M. Adekanye, and H. T. Chattha, “Tri-band millimetre-wave antenna for body-centric networks,” Nano Communication Networks, vol. 18, pp. 72–81, 2018.
[17]. M. Ur-Rehman, N. A. Malik, X. Yang, Q. H. Abbasi, Z. Zhang, and N. Zhao, “A low profile antenna for millimeter-wave bodycentric applications,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 65, no. 12, pp. 6329–6337, 2017.
[18]. H. Shawkey and D. Elsheakh, “Multiband dual-meander line antenna for body-centric networks’ biomedical applications by using UMC 180 nm,” Electronics, vol. 9, no. 9, p. 1350, 2020.
[19]. H. Aliakbari, A. Abdipour, R. Mirzavand, A. Costanzo, and P. Mousavi, “A single feed dual-band circularly polarized millimeter-wave antenna for 5G communication,” in 2016 10th European conference on antennas and propagation (EuCAP), Davos, Switzerland, 2016.
[20]. J. H. Huang, J.-W. Wu, Y.-L. Chiou, and C. Jou, “A 24/60GHz dual-band millimeter-wave on-chip monopole antenna fabricated with a 0.13-mu m CMOS technology,” in 2009 IEEE International Workshop on Antenna Technology, Santa Monica, Canada, 2009.
[21]. M. M. Khan, J. Hossain, K. Islam et al., “Design and study of a mm wave wearable textile based compact antenna for healthcare application,” International Journal of Antennas and Propagation, vol. 2021, Article ID 6506128, 17 pages, 2021.
[22]. J. Puskely, M. Pokorny, J. Lacik, and Z. Raida, “Wearable disc-like antenna for body-centric communications at 61 GHz,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 14, pp. 1490–1493, 2015.
[23]. S. Razafimahatratra, J. Sarrazin, A. Benlarbi-Delai et al., “Onbody propagation characterization with an H-plane substrate integrated waveguide (SIW) horn antenna at 60 GHz,” in 2015 European Microwave Conference (EuMC), Paris, France, 2015.
[24]. A. Iqbal, A. Basir, A. Smida et al., “Electromagnetic bandgap backed millimeter-wave MIMO antenna for wearable applications,” IEEE Access, vol. 7, pp. 111135–111144, 2019.
[25]. M. Wagih, A. S. Weddell, and S. Beeby, “Millimeter-wave textile antenna for on-body RF energy harvesting in future 5G networks,” in 2019 IEEE Wireless Power Transfer Conference (WPTC), pp. 245–248, London, UK, 2019.
[26]. Al-Gburi, Ahmed Jamal Abdullah, et al. "Improving gain of ultra-wideband planar antennas: a grounded frequencyselective surface reflector." TELKOMNIKA (Telecommunication Computing Electronics and Control) 21.6 (2023): 1204-1212.
[27]. Italian National Research Council, Dielectric properties of body tissues in the frequency range 10 Hz to 100 GHz, Italian National Research Council, Rome, Italy, 2021.

Jeśli masz wykupiony/przyznany dostęp - zaloguj się. Skorzystaj z naszych propozycji zakupu!

Publikacja


PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY- e-publikacja (pdf) z zeszytu 2024-9 , nr katalogowy 150391 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	10.00 zł

Zeszyt


PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY- e-zeszyt (pdf) 2024-9 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	85.00 zł

Prenumerata

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - prenumerata cyfrowa
licencja: Osobista

Produkt cyfrowy
Nowość

762.00 zł

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - PAKIET prenumerata PLUS
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - PAKIET prenumerata PLUS (Prenumerata papierowa + dostęp do portalu sigma-not.pl + e-prenumerata)	1002.00 zł brutto 927.78 zł netto 74.22 zł VAT (stawka VAT 8%)

1002.00 zł

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - papierowa prenumerata roczna + wysyłka
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - papierowa prenumerata roczna	960.00 zł brutto 888.89 zł netto 71.11 zł VAT (stawka VAT 8%)
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - pakowanie i wysyłka	42.00 zł brutto 34.15 zł netto 7.85 zł VAT (stawka VAT 23%)

1002.00 zł

Zeszyt

2024-9

Twój Koszyk

Publikacja

Zeszyt

Prenumerata

Zeszyt

Czasopisma