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Title: Integração de superfície seletiva em frequência a uma antena planar de banda dupla para aplicação em sensores biomédicos não invasivos
Other Titles: Frequency selective surface integration to a dual band planar antenna for non-invasive biomedical sensor applications
Authors: Silva Júnior, Isaú de Sousa
Advisor: Campos, Antonio Luiz Pereira de Siqueira
Keywords: Superfície seletiva em frequência;Antenas de microfita;sensores biomédicos;FSS dualband;WLAN;ISM;biomedical sensors;microstrip antenna;Frequency selective surface
Issue Date: 13-Dec-2022
Publisher: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Citation: SILVA JÚNIOR, Isaú de Sousa. Integração de superfície seletiva em frequência a uma antena planar de banda dupla para aplicação em sensores biomédicos não invasivos. 2022. 76 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Telecomunicações) - Departamento de Engenharia de Comunicações, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2022.
Portuguese Abstract: A tecnologia de sensores biomédicos tem se desenvolvido rapidamente com o avanço da tecnologia de comunicação wireless, resultando em um campo crescente de redes sem fio centradas no corpo (BCWNs). Existem três tipos desses sistemas: in-body (implantados no corpo), on-body (não invasivos e posicionados acima do tecido humano) e off-body (comunicação entre dispositivos on-body e externos). A comunicação off-body é importante para a conexão entre os sensores e dispositivos externos e, portanto, requer antenas que atendam a requisitos específicos, como ampla largura de banda, boa eficiência e diagrama de radiação unidirecional. Assim sendo, este trabalho apresenta uma FSS do tipo espira dupla quadrada que opera nas bandas 1,91 a 3 GHz e de 4,64 a 6,56 GHz, cobrindo assim, em sua totalidade, as bandas ISM (2,4 – 2,4835 GHz) e IEEE 802.11 Wireless Local Area Network (WLAN) (5,15–5,725 GHz). A estrutura foi desenvolvida para ser integrada a um monopolo de microfita disponível na literatura que opera nas bandas de interesse, de forma a melhorar algumas de suas características de radiação, tais como ganho, diretividade e relação frente costa (RFC), tornando o monopolo hábil a ser usado na comunicação off-body em sistemas de sensoriamento não invasivo de parâmetros biomédicos nessas bandas. A FSS foi projetada usando o substrato dielétrico FR4 com espessura de 1 mm, pois foi observado que essa espessura concede à estrutura uma maior estabilidade angular, sendo, assim, estável para ângulos de incidência de até 30º em ambas as polarizações, vertical e horizontal. Todos os resultados simulados apresentados neste trabalho foram obtidos por meio do software comercial HFSS versão 15.0. Os resultados obtidos mostraram que a antena integrada à FSS apresenta melhoras significativas em todos os parâmetros que foram simulados em relação a esta, sem a superfície. Por fim, um protótipos da FSS projetada e do monopolo de microfita escolhido para este trabalho foram fabricados e resultados experimentais coletados apresentaram uma boa concordância com os resultados simulados.
Abstract: Biomedical sensor technology has developed rapidly with the advancement of wireless communication technology, resulting in a growing field of body-centered wireless networks (BCWNs). There are three types of these systems: in-body (implanted in the body), on-body (non-invasive and positioned above human tissue), and off-body (communication between on-body devices and external devices). Off-body communication is important for connecting sensors to external devices and therefore requires antennas that meet specific requirements such as wide bandwidth, good efficiency, and unidirectional radiation pattern. Therefore, this work presents a double square spiral FSS that operates in the 1.91 to 3 GHz and 4.64 to 6.56 GHz bands, covering the entire ISM (2.4 – 2.4835 GHz) and IEEE 802.11 Wireless Local Area Network (WLAN) (5.15–5.725 GHz) bands. The structure was developed to be integrated with a microstrip monopole available in the literature that operates in the bands of interest, in order to improve some of its radiation characteristics such as gain, directivity, and front-to-back ratio (FBR), making the monopole suitable for use in off-body communication in non-invasive biomedical parameter sensing systems in these bands. The FSS was designed using the FR4 dielectric substrate with a thickness of 1 mm, as it was observed that this thickness gives the structure greater angular stability, being therefore stable for incidence angles of up to 30º in both polarizations, vertical and horizontal. All simulated results presented in this work were obtained using the commercial HFSS software version 15.0. The results obtained showed that the antenna integrated with the FSS presents significant improvements in all the parameters that were simulated in relation to it, without the surface. Finally, prototypes of the designed FSS and the microstrip monopole chosen for this work were manufactured and experimental results collected showed good agreement with the simulated results.
URI: https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/50726
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