Design of Origami Antenna for ISM Band Applications

Abstract

In recent years, the miniaturization of large sized antennas had become a necessity for low cost designs. Reconfigurable antenna had become popular recently due to their ability of being multifunctional, multi band alongside of ability of miniaturization in designs. One of the techniques of miniaturization for reconfigurable antenna is Origami folding. Origami antenna designs are efficient designs in means of reduced volume and size. Thus, it is possible to make great innovations in the currently used classical antenna designs with the usage of Origami designs. Herein, in order to achieve the challenging problem of, low size, mobile, foldable, low cost and reconfigurable antenna design Origami microwave antennas had been studied. İn this work, origami Loop and Helix antenna models for ISM band applications are investigated. The performance measures of Band-width, Return loss S11, Gain and radiation pattern of designs had been analysed using CST Microwave Studio. The performance measures of designs had been compared for the case of open and folded versions of antennas. Herein, design of high performance origami antennas (Yagi loop and helix) has been studied for applications at 2.4 GHz frequency band. The return loss characteristic of the simulated models has achieved a S11 level of less than -10 dB. With the folding ability of the antennas it is possible to reduce the total size of the antennas up to 75-80%. From the simulated results it can be concluded that with the usage of origami it is possible to achieve designs with reduced weight, higher mobility, low cost, high performance and designs with reconfigurable pattern ability. Thus, it can be concluded that the proposed antennas can be taken as advantages design for many military or civil communication applications.

Keywords

• Origami antenna
• Size reduction
• Reconfigurable antenna
• ISM band applications

ISM Band Haberleşme Uygulamaları İçin Origami Anten Tasarımı

Abstract

Son yıllarda, ebatları büyük antenlerin maliyetleri düşürmek adına minyatürleştirilmesi giderek artan bir ihtiyaç haline gelmiştir. Özellikle ticari ve askeri uygulamalar için küçük boyutlu, hafif ve geniş bantlı anten tasarımları önem kazanmıştır. Bu sebeple yeniden yapılandırılabilen antenler son yıllarda haberleşme alanındaki ihtiyaçlardan dolayı popüler hale gelmektedir. Yeniden yapılandırılabilen antenler çok fonksiyonlu ve çok bantlı çalışmalar gibi benzersiz avantajlara sahip olmasının yanı sıra, tasarımların minyatürleştirilmesi sayesinde ilgi çekmektedir. Boyut indirgeme amaçlı yeniden yapılandırılabilen anten tasarımında kullanılan tekniklerden biri de Origami katlama sanatıdır. Origami iki boyutlu ortamı katlama vasıtasıyla istenen belirli özelliklerde belirli bir biçime getirilmesi olarak tanımlanabilir. Origami antenler hacim veya alandan tasarruf sağlamaları yönünden oldukça kullanışlıdır. Bununla birlikte Origami şekillerinin, hâli hazırda kullanılan antenlerin yerlerine geçerek klasik anten sistemlerinde köklü yenilikler getirebileceği düşünülmektedir. Bu çalışma kapsamında küçük boyutlu, taşınabilir, katlanabilir, düşük maliyetli ve ayarlanabilir yapılı anten tasarım problemini aşmak için değişebilen katlamalı/Origami mikrodalga antenler incelenmiştir. Bu çalışma kapsamında ISM bant haberleşme sistemleri için loop ve helis anten modelleri incelenmiştir. Tasarımlarda CST Microwave Studio programı kullanılarak anten yapılarına ait bant genişliği, yansıma S11, kazanç ve ışıma örüntüsüne ek, antenin katlama-açılma durumuna göre tasarımlara ait performans değişimleri incelenmiştir. Bu çalışma kapsamında 2.4 GHz frekans bandı uygulamaları için katlanabilir, yüksek kazançlı origami anten modelleri (Yagi-loop ve Helis) tasarımı yapılmıştır. Yapılan simülasyonlar sonucunda antenlerin geri-dönüş kaybı S11 -10dB altında elde edilmiştir. Anten boyutları katlanmaları ile %75-%80 oranında küçülebilmektedir. Yapılan simülasyonlar sonucunda origami anten yapısı sayesinde ağırlık, taşınabilirlik, istifleme, maliyet, yüksek performans, huzme yönlendiriciliği açısından önemli derecede katkı sağlayabileceği görülmüştür. Önerilen anten yapısının belirtilen özeliklerinden dolayı birçok askeri ve ticari uygulamada avantaj sağlayacağı düşünülmektedir.

Keywords

• Origami anten
• Boyut azaltma
• Yeniden yapılandırılan anten
• ISM band uygulamaları

References

1. Demaine ED and O’Rourke J. Geometric folding algorithms: linkages, origami, polyhedra. Cambridge University Press: New York, 2007.
2. Gerard J. Hayes, Ying Liu, Jan Genzer, Gianluca Lazzi, and Michael D. Dickey, “Self-Folding Origami Microstrip Antennas,” IEEE Trans. Antennas & Propagation, vol. 62, no. 10, pp. 5416-5419, October 2014.
3. Kimionis, J.; Georgiadis, A.; Isakov, M.; Qi, H.J.; Tentzeris, M.M. , “3D/inkjet-printed origami antennas for multi-direction RF harvesting”, Microwave Symposium (IMS), 2015 IEEE MTT-S International, Pages: 1 - 4, Year: 2015, DOI: 10.1109/MWSYM.2015.7166878
4. S. Felton, M. Tolley, E. Demaine, D. Rus, R. Wood, “A method for building self-folding machines,” Science, vol. 345 issue 6197, pp. 644-646, August 2014.
5. Shun Yao, Xueli Liu, Georgakopoulos, S.V., Tentzeris, M. M., “A novel reconfigurable origami spring antenna,” Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI), Memphis, TN, 2014, pp 374-375.
6. Shun Yao; Xueli Liu; Georgakopoulos, S.V. , “A mode reconfigurable Nojima origami antenna”. Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, 2015 IEEE International Symposium on, Pages: 2237 - 2238, Year: 2015, DOI: 10.1109/APS.2015.7305507
7. Xueli Liu; Shun Yao; Georgakopoulos, S.V. , “Reconfigurable origami equiangular conical spiral antenna “, Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, 2015 IEEE International Symposium on, Pages: 2263 - 2264, Year: 2015 , DOI: 10.1109/APS.2015.7305520.
8. Xueli Liu; Shun Yao; Georgakopoulos, S.V. ,“Frequency reconfigurable origami quadrifilar helical antenna with reconfigurable reflector”,2015 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, Pages: 2217 - 2218, Year: 2015, DOI: 10.1109/APS.2015.7305497.

9. Xueli Liu; Georgakopoulos, S.V.; Tentzeris, M. , “A novel mode and frequency reconfigurable origami quadrifilar helical antenna”, Wireless and Microwave Technology Conference (WAMICON), 2015 IEEE 16th Annual, Pages: 1 - 3, Year: 2015, DOI: 10.1109/WAMICON.2015.7120416