紧凑的设计和性能分析物联网和Body-Centric通信应用程序的可穿戴纺织天线

文摘

介绍两个紧凑textile-based平面偶极子和循环为可穿戴天线通信应用程序操作的2.4 GHz工业、科学和医疗无线(ISM)乐队。天线是捏造的0.44毫米薄camouflaged-military打印,使用导电铜线程棉牛仔布,缝纫刺绣技术来创建辐射结构。天线的设计和性能分析进行了使用模拟;消声室和室内环境中进行了进一步的实验来验证设计。实验进行了一个免费空间场景和人类主体的不同位置如躯干和四肢关节。天线的性能,研究了基于反射系数在正常和弯曲条件对应于不同半径的人类四肢的位置。表现良好的天线在自由空间和对身体的场景在平坦和弯曲条件提供回波损耗低于−10 dB在所有情况下,一个可接受的共振频率接近2.4 GHz由于天线弯曲和身体的影响。辐射模式测量也免费报道这项工作对身体和空间场景。这是观察到人体的存在显著影响天线辐射模式导致前后的比率的增加也使得天线更多的指令。总的来说,捏造绣纺织天线的性能被发现适合在室内环境中各种可穿戴body-centric应用程序。

1。介绍

可穿戴通信技术提供有前景的解决方案应用于生物医学领域,消费电子产品、体育、军事、和智能家居的应用程序。最近的事态发展在小型化和灵活的电子设备商业化的这些设备可能铺平了道路的巨大效用可穿戴物联网(物联网)应用程序(1]。轻量级、低成本制造、易于制造、和廉价的柔性基板的可用性(即。,papers, textiles, and polymers) make flexible electronics an appealing candidate for the next generation of consumer electronics [2,3]。

研究正在进行各种可用频段在公开文献(WBAN)应用程序的无线人体局域网从2.4/5.8 GHz工业、科学和医疗(ISM)乐队(4),3.1 - -10.6 GHz的超宽带(UWB) [5- - - - - -7),millimetere波(mm-Wave)乐队57 - 64 GHz (8,9]。2.4 GHz的ISM波段非常适合可穿戴body-centric沟通由于全球频谱的可用性和广泛的应用领域的医疗、智能家居、体育、军事、和日常生活2,3]。

天线是一种可穿戴的通信设备的关键部件提供一个健壮的各种设备之间的通信链路。可穿戴天线应该非常紧凑,低调的、轻量级的、机械的健壮、高效,最好是灵活以适应身体的保形结构表面(2- - - - - -5]。这些天线也应放置在近距离时表现良好的人体和合适的性能方面的工作频率和期望的辐射特性10]。一些工作已经进行刚性基板可以脆弱由于缺乏灵活性和动态用户所做的动作和姿势。为解决这一问题,提出了各种灵活的基质在公开文献。常用的柔性材料天线聚酰亚胺(PI),聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚四氟乙烯(PTFE),液晶聚合物(LCP),聚酰亚胺薄膜,纸质基板(2,3,6- - - - - -9,11]。

除了聚合物基质,textile-based基质也流行由于易于集成天线直接与服装以及由于灵活和纺织面料的保形性质(12]。纺织材料常用的基质是棉布,觉得,牛仔,羊毛,尼龙,聚酯。不同制备方法的选择取决于基材,应用程序,和适用性;这些方法包括喷墨印刷,丝网印刷,3 d印刷、缝纫和刺绣技术(2,3,13,14]。纺织材料选择方面的电气性能和厚度,制造过程,喂养方法,整个天线设计是重要的方面被认为是在设计这类天线。如偶极子天线设计、循环、螺旋,补丁通常选择结构各种通信应用(15- - - - - -20.]。电磁带隙,先进的天线结构像(电磁隙)人工磁导体(ACM),和衬底集成波导(SIW)天线提高天线的性能已报告在公开文献[21- - - - - -23]。

本文提出两个紧凑,低调textile-based天线可以集成到服装适合医疗、室内,和军事物联网应用程序。提出的设计利用了轻量级的,灵活的棉布的属性以及高导电性铜线程使用缝纫绣花技术在纺织形成辐射元素。偶极子天线在2.19 - -3.44 GHz和环形天线在2.35 - -2.81 GHz频率范围在自由空间场景。各种天线回波损耗等参数和辐射模式分析了免费空间和对身体的场景。灵活性测试也已由弯曲相对应的天线在不同半径半径的人类的肢体关节问题。

本文中描述的新奇的工作在于高度适形和灵活的制造纺织天线使用高度灵活的定制铜线程以自动化的方式。此外,本文深入分析和比较两个纺织天线对身体测量平面以及弯曲场景(除了自由空间场景),在公开文献是有限的。不同位置的四肢也被分析的影响方向和距离大腿与躯干/地区根据天线的位置。0.44毫米的薄牛仔布被雇佣为底物使天线设计更具挑战性。

部分的天线提出了原型2随着模拟和测量结果。部分3给的细节对身体测量过程和比较自由空间和对身体测量与年代有关₁₁和远场辐射模式。部分4处理对天线性能的影响的研究在不同半径弯曲时免费空间和对身体的场景和重要发现。结论提出了部分5强调未来方面。

2。制造纺织天线模型和性能分析

提出纺织偶极子和环形天线结构包括辐射元素(两臂和矩形循环结构、职责)捏造使用铜金属线程在牛仔裤棉布织物。这些灵活和保形铜线程或纱线是由扭多个细铜线,每个线的直径是0.071毫米。天线的设计工作在2.4 GHz, ISM波段使用牛仔裤棉花材料作为基质相对介电常数为1.67 (12]。铜线程是绣花的衬底材料天线辐射元素。铜的厚度线程在衬底厚度是0.345毫米0.44毫米左右。

最后的示意图和尺寸天线呈现在图1(一)偶极子天线和数字1 (b)环形天线。偶极子天线臂的长度计算的半波所需的频率,也就是2.4 GHz。分离两个天线之间的胳膊和手臂的长度是重要的因素,对输出频率的变化敏感的天线性能。来验证该设计性能身体制造使用刺绣缝纫工具之前,春秋国旅模型模拟相同的维度。

缝纫机在纺织材料用于制造copper-thread-based天线是贝尔尼纳B720 [24]。这台机器有一个贝尼纳酒店钩系统,这使它最大的缝纫和刺绣的速度每分钟1000针。工具可以提供的最大缝宽度是5.5毫米,最大针6毫米的长度。天线设计模型集成的工具使用的“贝尼纳酒店绣花软件设计师+”软件购买和缝纫工具本身。图1 (c)显示了缝纫过程中,偶极子天线模式正在绣花牛仔布织物使用铜线程。

3毫米薄泡沫(没有提供相对介电常数的变化)是应用于天线结构的背后添加额外的支持纺织在自由空间和body-centric测量。纺织品制造原型的偶极子天线和环形天线提出了数字1 (d)和1 (e),分别。50ΩSMA连接器被精心焊接边缘的偶极子和矩形循环结构。

可穿戴纺织天线的性能测量通过可编程2个矢量网络分析仪(PNA-E8364C)的反射系数(S₁₁)的模拟结果并与CST微波工作室。辐射测量模式也进行了消声室的射频和微波实验室,保健,IIT德里,并从仿真结果与获得。找到好的协议之间的模拟和测量结果提出天线。图2(一个)提出了年代₁₁结果模拟和测量纺织品偶极天线结构。可以看出这两个结果都提供了以下−10 dB回波损耗和共鸣在2.4 GHz, ISM波段,在一个自由的空间/室内的环境下很好地执行。模拟的偏差观察和测量结果可能归因于这些纺织天线的辐射材料相比,导电线程一个均匀的铜在模拟设计,以及不同基质用于模拟的介电常数与牛仔布的底物在这些天线。50欧姆的SMA导体焊接天线结构也可以带来一些测量和模拟结果之间的差异。数据2 (b)和2 (c)目前的模拟和测量偶极天线的辐射方向图E-plane和h面。观察到相似的辐射模式这两种情况下,因此验证制作天线的性能。

3所示。Body-Centric测量场景

Body-centric测量进行人类主体在室内实验室环境2.4 GHz ISM频段。男性人类主体的身高167厘米,体重74公斤,平均构建。可穿戴天线放置在躯干地区的人类主体比较自由的空间₁₁结果(图3(一个))。可穿戴纺织天线能够实现如下−10 dB回波损耗对身体的场景表明性能良好的天线放置在身体的距离。测量和模拟的年代的一个例子₁₁纺织环形天线的结果呈现在图3 (b)对于自由空间和对身体的场景。对身体的仿真结果,一个幽灵代表人体的躯干地区维度200×200×70毫米³在CST微波工作室设计。人类的幻影由皮肤、脂肪、肌肉等电气性能的三层介电常数和电导率按提供的数据(25频率为2.4 GHz。皮肤的厚度,脂肪和肌肉层是3毫米,7毫米,分别和60毫米26]。转变时观察到共振频率100 MHz的放在身体(2.4 GHz)相比,自由空间(2.5 GHz)结果是由于身体影响天线性能的影响。

除了年代₁₁测量,测量远场辐射模式也对天线进行研究在消声室免费空间和对身体的场景。天线模式测量执行E-plane和h面来理解人类的影响在两架飞机。纺织偶极天线和环形天线的结果给出数据4(一)- - - - - -4 (d),分别。可以看出这两种天线深受人类主体的存在增加了前后的比率的辐射模式,使模式本质上更多的指令(27,28]。

4所示。天线弯曲的影响

的主要挑战之一,纺织服装的可穿戴天线设计是不确定形式表面由于频繁动作执行的人类主体和织物的性质(29日]。因此,服装也遇到的可穿戴天线集成场景如弯曲、伸展、弯曲、扭曲的除了正常平状态(29日,30.]。本节对天线性能弯曲条件下的自由空间和对身体的场景。

4.1。自由空间测量

免费空间测量,天线弯腰圆柱形泡沫不同半径曲率对应人类的四肢关节的主题。肢体关节被认为是手腕,手肘,肩膀和膝盖。数据5(一个)和5 (b)目前的实验设置天线心想泡沫为偶极天线半径对应手腕和肘部。数据5 (c)和5 (d)目前的实验设置环形天线的天线心想泡沫相对应的半径的肩膀和膝盖。表1总结了半径和周长值被认为是免费的各种肢体位置选择空间泡沫实验测量₁₁参数。

的年代₁₁结果给出了对应于不同的弯曲半径数据6(一)和6 (b)分别为偶极子和环形天线。这是观察到的弯曲条件对S纺织天线有很强的影响₁₁结果导致共振频率以及转变的大小₁₁结果。重大偏离的平的情况下结果是观察到的最小弯曲半径= 25.7毫米的天线结构是相当受弯曲的程度发生尤其是纺织品偶极天线。弯曲的场景会导致天线的谐振长度的变化导致变化的年代₁₁特征。最小变化观察到最高的弯曲半径= 57.2毫米,这个场景是接近向平坦的定向天线。观察图6(一),偶极子天线谐振频率跨度从2.45 GHz 2.58 GHz和环形天线谐振频率跨度从2.48 GHz 2.52 GHz的弯曲半径范围考虑。的年代₁₁共振频率的大小随−20.16 dB−18.56 dB和−15.41−14.98 dB的偶极子和环形天线,分别。共振频率的变化和纺织品偶极天线的大小是更重要的。

4.2。对身体测量

对身体天线弯曲试验进行了不同地点的人类主体的手腕,手肘,肩膀,膝盖关节。天线进行弯曲实验的两个位置上、下肢的主题是一个坐的姿势。在第一个位置,手臂处于0度位置对肩关节(如图7(一))和腿直伸在0度对大腿关节(如图7 (b)。在第二个场景中,手臂的位置是在90度对肩关节(如图7 (c))和腿弯曲呈90度角,对膝关节(如图7 (d))。

观察到的数据8(一个),8 (b),9(一个),9 (b)分别对应于偶极天线和环形天线,S₁₁大小和共振频率不同天线上的各种对身体的位置。这是归因于身体影响也不同的弯曲曲率的纺织天线根据身体的半径的位置。偶极子天线的年代₁₁曲线向上弯曲由于天线的大小从−14.5 dB为位置我和−−11.8 dB 14.9 dB 2−12.8 dB位置。2.34 GHz的共振频率变化范围为2.38 GHz的位置我和2.38 GHz 2.41 GHz的位置。四肢0和90度的方向显示年代类似的变化₁₁参数与90度的场景描绘略好₁₁共振。这可以减少由于身体影响当四肢躯干和大腿区域定位在90度的情况下。

纺织环形天线的高波动的大小₁₁结果观察到(数字9(一个)- - - - - -9 (b))不同对身体位置和弯曲曲率。不同大小21 dB−−14 dB为各种对身体位置考虑。这种变化取决于各种因素如弯曲半径、天线放置在身体的表面(直接在上面的皮肤/服装)和距离身体表面。自由空间的共振频率的转变的结果相比是不同的弯曲半径选择少的纺织品偶极天线。

将范围从2.42 GHz 2.45 GHz的频率。它可以得出天线的类型,可穿戴天线的位置,天线的弯曲半径,以及四肢的方向可能会导致一些变化的年代₁₁共振频率等特征阻抗带宽,和S₁₁大小。它也观察到,在所有的情况下考虑的大小₁₁也低于−10 dB和共鸣频率接近所需的2.4 GHz的ISM波段操作。偶极子天线,将观察到的范围从10 MHz到60 MHz环形天线,观察到的是在20 MHz至50 MHz,为对身体的情况相比,所需的2.4 GHz的共振频率。

5。与相关的作品

表2比较本文中描述的工作与其他现有的文学作品26,31日- - - - - -37]。本文中描述的新奇的工作在于高度适形的制造,使用灵活、紧凑的纺织天线高度灵活的定制铜线程以自动化的方式。这些低调的制造纺织天线进行纺织基板很薄,适合自由空间和body-centric应用程序。两根天线的性能比较各种弯曲条件和对身体的场景提供了详细的分析。必须提到这样的比较或分析非常有限考虑纺织天线的研究工作目前在公开文献。body-centric测量进行了身体上的不同位置和不同方向的四肢。拟议中的天线设计使用一个非常薄的纺织牛仔布(厚度0.44毫米),仍然能够实现所需的共振频率在正常条件下以及在弯曲的场景中。该天线印制在牛仔布使用数字刺绣技术和辐射元素由高度适形和灵活的定制铜e-threads直径0.345毫米,使各种对身体位置和肢体方向可接受的结果。铜纱是由扭曲的多个线程铜0.071毫米直径。高导电性铜e-threads并提供更高的性能相比,线程的其他金属(如银或钢),曾在以前的作品(14,35,38]。多数在开放的文学作品用导电织物(26,33,36)或铜带/箔(31日,32,34,37)这是粘在织物使天线不耐用承受重复使用和恶劣的环境。线程使用e-threads(导电)作为辐射元素使其可行的天线集成到服装,从而使人类主体的运动不引人注目的和舒适。

6。结论

这项工作提出了两个textile-based天线对于物联网和body-centric通信应用程序,即偶极子和环形天线。可穿戴天线的性能研究在自由空间和与人体接近。天线的制作成本效益和商用纺织棉布和辐射结构的导电铜线程使用缝纫绣花技术已经形成。该天线紧凑和灵活的测量和模拟结果之间具有良好的协议操作在2.4 GHz。

回波损耗和辐射模式特征免费空间和对身体的场景已经提出和讨论。天线的回波损耗在自由空间和对身体场景显示了良好的性能。可穿戴的天线辐射模式变得更加指令相比,自由空间场景,是由于人类主体的存在。灵活性测试也进行了不同的弯曲半径曲率对应人类的四肢是可能的位置可以放置或可穿戴设备集成了衣服。天线的性能略微偏离谐振频率,带宽是由于弯曲条件下的操作和身体影响导致变化的结果。表现良好的天线在自由空间和对身体的场景,让他们合适的候选人可穿戴通信的应用程序。

数据可用性

数据要求博士理查德巴拉(电子邮件:richab@care.iitd.ac.in)。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢国防研究与发展组织(RP03437G)为这项工作提供资金。

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