Indonesi an  Jo urna l  of El ect ri cal Engineer ing  an d  Comp ut er  Scie nce   Vo l.   1 3 ,  No.   2 ,  Febr uar y   201 9 , pp.  7 08 ~ 7 12   IS S N: 25 02 - 4752, DO I: 10 .11 591/ijeecs .v1 3 .i 2 .pp 7 08 - 7 12          708       Journ al h om e page :  http: // ia es core.c om/j ourn als/i ndex. ph p/ij eecs   Wearabl e  antenn a gain en hancem en t using  reactive    imp edance substr ate       A.   N. Sur aya 1 ,  T. Sab apathy 2 , M.  Ju s oh 3 , N.   H. Gh az ali 4 , M.   N.   Osm an 5 , S.   Ism ail 6 , M.  R. Aw al 7   1,2,3,4,5,6 Bioe lectr om agne ti c   Rese a rch   Group (B ioEM ),   School   of  C om pute r  and   Co m m unic at ion  En gine er ing,    Univer siti   Malays ia   Perl is,  Ma lays ia   7 School  of  O ce a n  Engi n ee ring ,   U nive rsiti Mal a ysia  T ere ngg anu   ( UM T),   M ala y s ia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   Oct   1 2 , 201 8   Re vised  N ov   10 , 2 018   Accepte d  Nov   2 6 , 201 8       A  m ic rostrip  p at ch   an te nna   is   designe d   for   a  we ara bl e  antenna .   Th e   per form anc e  o f   m ic rostrip  pa tch  ant enn a  lo aded  with  re active  impedance   surfac e   (RIS)  is   desc r ibe d   in   t er m s  of  gai n ,   b an dwidth  and   r et ur n  loss.   The  ant enn a  is  inve s ti gated  in  two  c ondit ions  which   are  conv ent ion a l  m ic rostrip   ant enn a   with   RI S  and   withou t   RI S. Th e   design ed   ant enn a   is  al so   a imed  a t   siz e  red uction  the ref ore   i t  wi ll be   suit abl e   for   a   wea r a ble   appl i cation.  Thi s   an te nn a   which  is  m ade  f ully   using   te x ti l e  and   it  is  d esig ned  for  op erati o n  in  the   2 . 45   GH z  band.   Th e  per form anc e  of  m ic rostrip  patch   ant enn a  lo ade d  with  RIS  is  desc ribe d   in   te r m s  of  gai n ,   ban dwidth,  ret u rn  lo ss   and  r adiati on   pat t ern .   Th e   ant enn a  d esigned  with   RIS  op er at es   at  2. 45  GH z .   B andwidt h   enh anc ement   is   ac hi eve d  wi th  R IS  where   th e  des igne d  an te nn a  c an  c at er   fre qu en c y   from   2. 4   GH z  to  3  GH z.   A  gai n  enh ance m ent   is  ac h ie ved   of  20%  is  a chi e ved  compare d   with  the   conve nt iona l  p at ch  anten na.   Although  the  siz e  of  th e  pa tc h   is  red uced   with  the   in trodu ct ion  of  RIS, the   over all  size   o f  t he  antenna   with the   subs tra t e   is  al m ost  sim il ar   to  th e  conve nt io nal   p at ch   an te nn a.   How ev er,  the  per form anc e   of  the a n te nna   is   gre a tly   enha n ced wit h  the use  of   RIS.   Ke yw or d s :   Mi cro strip  p at c h  a nten na   Re act ive  i m ped ance  s ub st rate   Texti le s  ante nna   Weara ble  a ntenn a   Copyright   ©   201 9   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .     Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   M. Ju s oh,    Bi oelect ro m agn et ic s Resea rc h Group  (BioE M ),    School  of Com pu te r  a nd Com m un ic at ion  Enginee rin g,     Un i ver sit i M al ay sia  Per li s (U niMAP ),     Kam pu s Pa uh  Pu tra , 026 00, Ara u, Perlis,   Ma la ysi a .   Em a il :  m uza mm il @u nim ap. edu.m y       1.   INTROD U CTION     A  wea rab le   a ntenn a   is   a n  a nte nn a   t hat  is   s pe ci fical ly   desig ned  t o  f un ct io n  w hile  bein g  w orn   on   bo dy  wear a ble  f ab ric/ te xtil e  anten na  is  one  of  the  do m inant  r esearch   to pics  for  body  ce ntr ic   com m un ic ation .   I n  par ti cula r,   wit h  the  rece nt  ad van cem ent  of   I nter ne t  of   T hing  ( Io T )  te ch nolog y,  t he  de vel op m ents  of   we arab le   el ect ro nic   de vi ces  s uch  as   ant enn a s  a re  gaini ng  popula rity   a m on g  the   r es earche rs.  A  si m ple  m ic ro stri p  patch  anten na   co ns is ts  of  a   rad ia ti ng  patch   on  one   side   of  a   diele ct ric  substr at e  and  a   gr ound  p la ne  on  it s  othe r  si de.   Su c h  ante nn a  i s  su it able  f or   body - w orn  a pp l ic at ion s  beca use   it   m a inly   radi at es  per pe ndic ularly   to  the  planar  structu re a nd t he gr ound  plan e eff ic ie ntly  shi el ds  the  body t issues.    Howe ver,  t he  a nten na   desi gn  for  wea rab le   a pp li cat io n  is   quit e  cr ucial .   Fi rst,  t he   siz e  of  the  desig ne d  anten na  is   qu it e  bulky   since   it   is  desig ne d  wi th  wear a ble  m at erial   w hich   ha s  lo w   relat ive   pe rm i tt ivity  [1 ] .   Ap a rt   from   that,  it   is  al so   im po rta nt   to  ac hieve  good  a nten na   pe rfor m ance  w he n  it   is  desig ne d  with   th e  w earable  m at erial   [2 ] .  The  pro blem   cou ld  be  al so   f urt her   c halle ngin g  if  m ulti   e leme nt  anten na  ha s  to  be  de sig ne d  f or   a  wear a ble a pp li cat ion  that c ou ld sup port em e rg i ng  c omm un ic at ion  tech nolo gies s uch   as  be a m  steering   [3 ] , IoT  [4 ]   an d  MIM O   [5 ] .  T his  ca n  l ead  to  a nten na  desig n  w hich  ha s  a  la rg er  siz e.   On   t he  othe r  ha nd,  the  e vo l ution   in  m et a m a te rial   giv es  ad va ntage s  to  a nten na  de sign   i n  m any  aspects  s uc h  as  high  gain ,  high  band widt h  a nd   m iniat ur iz at ion [ 6 - 7 ].   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Wear ab le   ante nna g ain  e nhanceme nt  us in g reacti ve im pedan ce  s ub str ate   ( M. Ju s oh )   709   In   w ork  [ 8 ]   m e tam at erial   is  us ed  to  i ntr oduce d  m et a m at erial  in  wea ra ble  anten na  desig n  for  WLAN   app li cat io n.   I n  this  pa pe r,   t he  introd uction  of  the  m et a m at er ia l  is  ex pected   to  m iniat ur e  th e  wea rab le   ant enn a .   Ba sed  on  thr ough  li te ratu re  r eview,   it   is  kn own  t hat  reacti ve  im ped ance  su bst rate  (R IS )   can  m iniat ur iz e  the   siz e  of   t he  a ntenn a  [ 9 ] .  Th ere f or e ,  it   is  chose n  as  the   m et ho d  to  desig n  t he  wear a ble  ante nna.  RI S  is  al so  known  as  2D  m et a m ater ia l  w here  it   c an  be   co ns i der e d  a s  a   thi n  la ye r .  Re ct an gula r   s hap e d  RIS   a rr a y  is  easi ly   dev e lope d  wh e re  the  desi re d  a nten na  pe rfor m ances  can  be  easi ly   ach ie ved .  The  des ign e d  RIS  ha ve   the  abili ty   to  ref le ct   total   powe r  li ke   PEC  or   PM C  su r faces  an d  at   the  sam e  tim e  be  able  t o  store  m agn et ic   or  el ect ric  en erg y.   Mi niaturizat io n i s  achieve d  by   com bin ing   th e  reacti ve c ha r ac te risti c  of   th e  RIS  with  the  capaci ti ve (in duct ive)  beh a vior i n ord er to t une the  re sonance  to  a  low e r fre quenc y.    The   rest   of  the   pap e r   is  orga ni zed   as  f ollow s .   T he m et hod i nvol ved  i n t he   a nten na   desi gn  i s  pr ese nted  in  Sect i on  2.  Sect ion  3  pr e s ents  t he  re s ults  a nd  discussi on.  Finall y,  s om e  co nclusion   rem ark s   are   gi ven  in   Sect ion   4.       2.   RESEA R CH MET HO D     2 . 1.       Conv e nt i onal  Micr os tri p P at ch  Anten na   The   The   str uct ur e   of  a   c onve ntion al   m ic ro strip  patch   a nten na  is   sho wn  in   the  Fi gure. 1.  F el t  fabric  is  us e d  as   the   s ub strat e  w he re  it s   thick ness   is   3  m m ,  the  diele c tric   co ns ta nt   is   1.4   a nd  lo ss  ta ng e nt  is   0.002.  T he  patch  a nd  m ic r os trip   fee dline  dim ension s  are   desig ne d  us in g  well - kn own  procedu re  as  s pe ci fied  in  [ 5]  to  ens ure   pro per   m at ching   to  a 5 0  Ω  S MA  co nnect or.   Me anwhil e,  S hieldit   is  act   as  cond uctive  m a te rial   (p at ch ,  fe edline   and  gr ound  plane)  are  buil t.  The   pro pe rtie s  of  S hieli t  it   is  a  hi gh - qual it y  fla m e - retarda nt  fa br ic   f or   radi o  fr e qu e ncy   (RF )   an d  the   thic kn ess  is   0.1 7  m m .   It   is  featu res   he at -   act ivate d  gl ue  on  it s   re verse  side   w hich   e nab le s   it   to  be  i rone d  on t o  oth e r   sub strat e  s uch  as   cotton  or  pap e r.   The   a nten na   is  desig ne d  t o  oper at e  at   2.4 5  G Hz  fr e q ue ncy.   3D  EM  sim ulu at i on  s of t war e   is   use d  to   sim ulate   the   ante nna.  T he   opti m ized   dim ension  of  the   anten na  is t a bula te d  in Ta ble  1.         Table  1.   Dim e ns io n of t he A nten na   Para m eters   Felt Fabric   Rectan g u lar  p atch   (L )   4 5   m m   Rectan g u lar  p atch   (W)   5 5   m m   Su b strate ( S L)   1 1 0 m m   Su b strate ( S W )   7 0 m m   Su b strate thick n ess   3   m m   Feed  ( B1 )   2 6 .6  m m   Feed  ( B2 )   6 .3  m m   Qu arter w av e ( A1 )   2 .9 m m   Qu arter w av e ( A2 )   2 7 m m       Figure  1. Pro pose d  c onve ntio nal m ic ro strip  patch  a nte nn a       2.2.     Micros tr ip   Pa tch An te nna  w ith  RIS   To   re du ce   the   siz e  of  t he  a nt enn a ,  a   reacti ve   im ped ance   s ub st rate  is   us e d  [6 ] .   I n  this   pa per,  t he  R IS  la ye r  co ns ist s  of   5x5  cr os s - s hap e d  m et al li c   unit   cel l  patch   arr ay   pr i nted   per i od ic al ly   on   a  gro unde d  l ow - c os t   felt   substrat e.   The  siz e   of  t he   unit   cel l  is  gi ve n  as   18  m m   x  18  m m .  The  ga p  betwee n  t he   unit   cel ls  is  1  mm.   The  propose d  anten na  str uctu re  is  show n  in  Figure  2.   It  is  a  two  la ye re d  diele ct ric  geom et ry  m ade  up  of   felt   su bst rate  with t he  sam e thickne ss .   T he view   of prop os e d  a n te nn a  with R IS sh own  i n  Fi gu re  3a  a nd 3b.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                            IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   1 3 , N o.   2 ,  Fe bru ary  201 9   :   7 08   –   7 12   710       Figure  2. A  uni t cel l of  R IS           (a)   (b)     Figure  3. (a )  T he pr opos e d  a nt enn a  wit h  R IS     ( b)  si de view   of ante nn a       3.   RESU LT S   A ND AN ALYSIS   This  sect io n  pr esents  th e  c omparis on  res ults  of  both   ante nnas,  nam ely  conven ti onal   m ic ro strip   patc h  anten na (MPA )  a nd p at c h  a ntenn a  w it h R IS  (MPA R IS).     3.1.      An te nn a Mini aturi z at i on   The   us e s  of  RI S  le ad   to   m iniat ur iz at ion  of  th e  MPA .  Th rou gh  sim ulati on ,  the  siz e   of  t he   RIS  a nd  t he   patch   ante nna  is  opti m iz ed.   Figure   4  s how s  the   re flect io n  phase   of  t he   RIS   that   ope r at es  nea r   to   5. 6  G Hz  fr e qu e ncy.  It  operates  a s  react ance  to   the  M P A,   t hu s   the  M P A  siz e  is  reduc ed  to   m at ch  the  tun i ng  RIS   rea ct ance  pro per ty . T he  s iz e com par iso n o f  MP A  a nd  MP A wit h  RI S  is g i ven in T a ble 2.   Figure  4   sho w s  the   sim ulati o n  for  ref le ct io n  c oeffici ent  f or  both   a nten na s.  It  is  obser ved  that   the   resona nt freq ue ncy dro p  is cl os e to  2.45  G H z fr e quency  for  both of  the a nt enn a s. It ca n b e seen  t hat the  return   loss  f or   a n  a ntenn a  with  RI S  is  bette r  com par ed  t han   c onve ntion al   a nten na   wh e re  the  ref l ect ion   coe ff ic i ent  ha s   le ss tha n  - 30  dB . Apa rt  from  that, it  ca n  be o bs er ve d  t hat M PA wit h R IS h as the   bette r  op erati on al  b a nd width.   The  c onve ntio nal  MPA  op e ra te s  from 2. 38   G Hz  to  2.5  G Hz  for  S 11   le ss  tha n  - 10   dB.  O n  the  ot her   ha nd,  MPA  with RI S  has  c ov e re d  the  b a ndwi dth   from  2 . 34 GHz  up to   2.66 G Hz.        Table  2.   Size  c om par ison o f M PA  a nd MP A wit h  RI S   Para m eters   MPA   MPA  with  RIS  a   Rectan g u lar  Patch   (L )   4 5   m m   3 7 .6  m m   Rectan g u lar  p atch   (W)   5 5   m m   5 0   m m   Su b strate L en g th   ( SL)   1 1 0   m m   8 0   m m   Su b strate W id th   (S W )   7 0   m m   6 0   m m   Su b strate T h ick n ess  ( H)   3   m m   3   m m   Feed lin e ( B1 )   2 6 .6  m m   1 2   m m   Feed lin e ( B2 )   6 .3  m m   6   m m   Qu arter w av e ( A1 )   2 .9  m m   2 .5  m m   Qu arter w av e ( A2 )   2 7   m m   2 0   m m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Wear ab le   ante nna g ain  e nhanceme nt  us in g reacti ve im pedan ce  s ub str ate   ( M. Ju s oh )   711       Figure  4. Re fle ct ion  c oeffici ent        Figure  5  a nd  F igure  6  prese nt  the  ga in  ac hie ved  by  th e  ant enn a s.  It  sho w s  the  gain  is  only   4.6 7  f or  MPA a nd the  gai n  is i nc rease d  to  6.07 2 wh e n  RI S is a ppli ed  to  the a nte nna.           Figure  5. Gai n of M PA           Figure  6. Gai n of M PA wit h  RIS       Table  3  s ummari zes  t he  over al l  perf or m ance  of   the   a nten na .  It  s hows   t hat  the   a nten na   w it h  RI S  al s o  i m pr oves  t he  overall   e ff ic ie nc y  of  the   ante nna .  Nex t ,  Fi gure  7  de picts  th e  sim ulate d  ra diati on  patte r n  of  th e  pro po se d  a nten na.  B oth ante nnas  ha ve direct ive r a diati o n p at te rn   bu t t he  a nten na wit h  RI S h a ve hig he r gain.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                            IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   1 3 , N o.   2 ,  Fe bru ary  201 9   :   7 08   –   7 12   712       (a)   (b)     Figure  7. Sim ulate d  Ra diati on p at te r n  f or ( a ) or i gin al   patch a nten na  a nd (b )  a nten na  with  RIS       Table  3.   C om par iso n of pe rfo rm ance f or  bo t h  a nten nas   An ten n a     MPA   MPA  with  RIS  a   Gain   (dB )   4 .67   6 .07   S 11   - 2 2 .65   - 3 2 .17   Efficiency    40%   59%       4.   CONCL US I O N     In   t his  pa per,  the  de velo pm ent  an d  eval uation  of  ante nn a  with  RIS  a re  i nv e sti gated  a nd  an  a nten na   with  be tt er  pe r form ance  is  propose d  with  th e  us e  of   R IS .  As  a  c on cl us io n,   the   pe rfor m ance  of   th e  pr opos e d  anten na  in  te r m s  of   S1 1,  gai n,   a nd   e ff ic ie nc y  is  i m pr ov e d  wh e n  RI S  is  app li ed .  Gai n  enh a ncem ent  of  20%  achieve d  a nd  operati onal   bandw i dth   of a ntenn a  is  gr eat ly  im pr ov e d wit h use  of RIS .       ACKN OWLE DGE MENTS     This  w ork  is   par tl y  s u pp or t ed  by  t he  Re s earch   Ma na ge m ent  an d  Inn ovat ion  Ce ntre  of  U niv e rsiti   Ma la ysi a Perlis, un der f unda m ental  r esearc h gr a nt sc hem e  ( FR GS   9001 - 00569),  Go vernm ent o f  Ma la ysi a.       REFERE NCE S     [1]   A.   K.   Skive rvik,  J.   F .   Zurc h er,  O.   Staub,  J.   R .   Mos ig.   " PC S  A nte nna   Design:  The   Ch al l enge   o f  Minia tu rizati o n, "   IEE E   Antennas  and  Propagati on   Mag ,   v ol.   43 ( 4 ) ,   2001 .   [2]   Le e   K.   F. ,   and   Tong   K.   F . ,   " Microstri p   patc h  an te nn as — Ba sic  cha r ac t eri sti cs  and   som e   re ce nt   adva nc es , "   Proce ed ings o f   t he  IE EE ,  vol .   10 0(7),   pp .   2169 - 2 180.   2012 .   [3]   W ong  Kin - Lu. ,   " Com pac t  and   br oadba nd  m ic r ostrip  an te nnas , "   v o l.   168 ,   John W i l e y   &   Sons ,   2004 .   [4]   Aggarwal   I.,  Tr i pat h y   M.  R . ,   and   Pande y   S. ,   " Me t amate ri al   inspi re d  m ult iba nd  slot t ed  antenna   for  ap pli c at ion  in  IOT   band.  In  Gre en   Engi n ee r ing  a nd  Technol og ies   (IC - GET) , "   2 016  Online  Int ernati onal   Conf ere nce  on   IEEE .    pp.   1 - 4 ,   No v   201 6 .   [5]   Chen  W .   S. ,  W u  C.   K. ,   W ong  K.   L .,   " Com pac t   circul ar l y   po la ri zed  m ic rostrip   an t enna  with   bent  s lot s , "   Elec tron .   Lett ,  vol.  34 ,   pp .   1278 – 1279 ,  199 8 .    [6]   Bil otti  F.,   Mem b er  S.,   Alú  A . ,   an d   Vegni  L . ,   " Des ign  of  Miniaturi ze d  Met amate r ial  Patc h  Ant enna s   with  - Nega t ive   Loa ding ,   IE EE  Tr ansacti ons on Ante nnas and   Pr opagati on ,   vol .   56(6),   pp .   1640 – 1647.   2008 .   [7]   Shakhirul   M.   S. ,   M   Jus oh,   Sahadah  A.,   Nor  C.   M . ,   Rahi m   H.   A.,   " E m broide red   wea r abl e  te xt il e   anten na on  bend ing  and  wet   per form anc es  fo r  UW B  r ec ep ti on "   M ic ro wave   and   Opti ca l  Techno logy Let te rs   ( MOTL) ,  v ol.   56 ( 9 ) ,   2014 .     [8]   Zhu,   Shaozh en,   and  Ric h ard   L an gley .   "D ua l - band   wea rab l e  t ext i le   ant enn a  on  an  E BG  subs tra te . "  I EE E  transacti on s   on  Antenn as and   Propagati on ,  vo l.   57 ( 4 ) ,   pp .   926 - 935.   2009 .   [9]   H.  Mos al l ae i   an d  K.   Sara band i,  " Antenna   Min ia t uriz a ti on   and   Ba ndwidth  Enh ancem ent   Us ing  a   Rea c ti ve , "   IEE E   Trans actions  on A nten nas  and  Pr opag ation ,   vol. 52 ( 9 ) ,   pp.   2 403 s – 2414,   200 4.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.