Low-cost printed flexible antennas and filters for passive RFID and Ambient IoT systems

Thumbnail Image

Files

master_Kerminen_Juho_2025.pdf (25.49 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-10-31

Department

Major/Subject

Communications Engineering

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Computer, Communication and Information Sciences
Tieto-, tietoliikenne- ja informaatiotekniikan maisteriohjelma
Magisterprogrammet i data-, informations- och kommunikationsteknik

Language

en

Pages

62

Series

Abstract

This thesis presents three inkjet-printed flexible antennas and a coplanar inkjet-printed bandpass filter for passive RFID and ambient IoT applications. The first, a dualband antenna, was designed for passive operation at the 866 MHz RFID frequency and ambient operation at the 1850 MHz frequency, with a bandwith wide enough to cover multiple LTE and DECT bands. The second, a miniaturized RFID antenna, was also designed for 866 MHz operation, but with a significantly smaller form factor. The third, a coplanar patch antenna, was operated at a center frequency of 1850 MHz. The coplanar bandpass filter was designed for 866 MHz RFID operation. All designs were inkjet-printed on PET, an organic flexible substrate, with silver nanoparticle ink by using a low-cost commercial inkjet-printer. The designs were characterized with electromagnetic measurements. Moreover, the antennas were attached to gypsum and cardboard because of their abundance in real world scenarios where the fabrications could be applied. The presented antennas demonstrated promising functionality and performance for IoT applications. The dualband antenna had excellent performance at the target frequencies, reaching up to 60.0% efficiency and 1.11 dBi realized gain at 866 MHz, and 76.2% efficiency and 2.78 dBi realized gain at 1850 MHz. Moreover, it showed high tolerance to different background materials due to its wideband performance, being able to radiate more than 50% of the matched input power from 726 MHz to 2.5 GHz. The miniaturized antenna performed well with a significantly reduced size compared to the dualband antenna, reaching an efficiency of 21.5% at 866 MHz with -1.21 dBi realized gain. The patch antenna also performed well, achieving a gain of 2.56 dBi, with a total efficiency of 64.1%, at 1850 MHz. The printed bandpass filter achieved a normalized fractional bandwidth of 17%, but the insertion loss in the passband was significant at -10.9 dB.

Tässä opinnäytetyössä esitellään kolme mustesuihkutulostettua antennia ja yksi mustesuihkutulostettu kaistapäästösuodatin passiiviseen RFID ja ambient IoT käyttöön. Ensimmäinen, kaksikaistainen antenni, suunniteltiin passiiviseen käyttöön 866 MHz RFID-taajuudelle, ja ambient käyttöön 1850 MHz LTE-taajuudelle. Korkeampi taajuuskaista suunniteltiin riittävän laajaksi kattamaan useita LTE- ja DECT-taajuuksia 1850 MHz läheisyydestä. Toinen, miniaturisoitu RFID-antenni, suunniteltiin myös 866 MHz käyttöön, mutta huomattavasti pienemmässä koossa. Viimeisenä, patch-tyyppinen antenni suunniteltiin toimintaan 1850 MHz taajuudella. Antennien lisäksi työssä tulostettiin kaistapäästösuodatin 866 MHz RFID-taajuudelle. Kaikki esitellyt komponentit mustesuihkutulostettiin hopeananopartikkelimusteella PET-substraatille käyttäen edullista kaupallista mustesuihkutulostinta. Jokaisen komponentin suorituskyky määriteltiin sähkömagneettisilla mittauksilla. Lisäksi jokainen antenni mitattiin kipsin ja pahvin kanssa, osoittaen niiden toimivuuden sovelluskohteissa, joissa antenni saatetaan kiinnittää vasten taustamateriaalia. Antennit osoittautuivat ominaisuuksiltaan erittäin lupaaviksi. Kaksikaistaisen antennin tulokset olivat erinomaiset, saavuttaen 60.0% tehokkuuden ja 1.11 dBi realisoidun vahvistuksen 866 MHz taajuudella, ja 76.2% tehokkuuden ja 2.78 dBi realisoidun vahvistuksen 1850 MHz taajuudella. Lisäksi se kykeni sietämään eri taustamateriaalien vaikutusta yli 1.7 GHz laajan 50% säteilytehokkuuskaistansa ansiosta. Miniaturisoitu antenni suoriutui hyvin kaksikaista-antennia huomattavasti pienemmästä koosta huolimatta. Se saavutti 21% tehokkuuden ja -1.21 dBi realisoidun vahvistuksen 866 MHz taajuudella. Näiden kahden antennin lisäksi myös 1850 MHz patch antenni suoriutui hyvin. Se saavutti 2.56 dBi vahvistuksen ja 64.1% tehokkuuden 1850 MHz taajuudella. Tulostettu kaistapäästösuodatin suoriutui kuitenkin vaihtelevasti. Huolimatta saavutetusta 17% suhteellisesta kaistanleveydestä, sen häviö päästökaistalla oli huomattava sillä se päästi läpi vain -10.9 dB signaalin tehosta.

Description

Supervisor

Ruttik, Kalle

Keywords

additive manufacturing, printed electronics, flexible electronics, antenna design, passive RFID, Ambient IoT

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202512169358

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC