Μετρήσεις επαφών διέγερσης φορέσιμων κεραιών.

Abstract

Η παρούσα διατριβή έχει σαν αντικείμενο τη μελέτη των επαφών διέγερσης φορέσιμων κεραιών. Η ανάπτυξη των φορέσιμων ηλεκτρονικών συσκευών και κεραιών οφείλεται στη ζήτηση για ελαφρύτερες και μικρότερες προσωπικές ηλεκτρονικές συσκευές. Η ενσωμάτωση των κεραιών στα ενδύματα καθιστά εφικτή τη χρήση ηλεκτρονικών συσκευών χαμηλότερου προφίλ χωρίς να επηρεάζεται η απόδοσή τους. Υπάρχουν πολλές εφαρμογές για τις φορέσιμες κεραίες στο στρατό, στην αεροδιαστημική, στη διάσωση, στην ιατρική, στην μόδα κ.λπ. Τα πλεονεκτήματα τους περιλαμβάνουν την αυτόνομη λειτουργία και την άνεση για τους καταναλωτές. Μια φορέσιμη κεραία κατασκευάζεται συνήθως από εύκαμπτα αγώγιμα υλικά που εγγυώνται τα χαρακτηριστικά των ενδυμάτων (μαλακά και εύκαμπτα). Η πρόκληση των φορέσιμων κεραιών είναι ο συμβιβασμός μεταξύ αυτών των χαρακτηριστικών και της ηλεκτρομαγνητικής απόδοσης. Μετά τη κατασκευή της, μία φορέσιμη κεραία συνήθως εξετάζεται με Vector Network Analyzer (VNA) ή άλλο τυπικό εξοπλισμό μέτρησης μικροκυμάτων για να αξιολογηθούν οι ιδιότητές της. Oι μετρήσεις γίνονται συνήθως συνδέοντας το ένα άκρο ενός ομοαξονικού καλωδίου στον εξοπλισμό μέτρησης και το άλλο άκρο στο στοιχείο που έχει επιλεγεί για μέτρηση. Στις άκαμπτες κεραίες η σύνδεση με τον VNA γίνεται με την συγκόλληση ενός μεταλλικού συνδέσμου SMA. Σε ένα κλωστοϋφαντουργικό όμως σύστημα όπου τα στοιχεία πρέπει να είναι εύκαμπτα και άνετα στη χρήση, τέτοιοι άκαμπτοι σύνδεσμοι αποτελούν πρόβλημα. Οι τεχνικές προσάρτησης εξωτερικού εξοπλισμού στο σύστημα δεν προσφέρουν τη δυνατότητα αφαίρεσή τους όταν πρέπει να πλυθεί το ύφασμα. Για αυτό το λόγο απαιτούνται επαφές που επιτρέπουν την εύκολη αποσύνδεση των ηλεκτρονικών. Στην παρούσα εργασία εξετάζονται οι επαφές διέγερσης που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στις φορέσιμες κεντημένες κεραίες. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στις ιδιότητες και στην εξέλιξη των φορέσιμων κεντημένων κεραιών, παρουσιάζονται τα RF χαρακτηριστικά και οι επιδόσεις των αγώγιμων υφασμάτων καθώς και οι τεχνικές διαμόρφωσης τους. Στο ίδιο κεφάλαιο μελετάται η επίδραση της πυκνότητας και της κατεύθυνσης κεντήματος των αγώγιμων νημάτων. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η επίδραση του ανθρώπινου σώματος στη λειτουργία των φορέσιμων κεραιών. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι ιδιότητες των επαφών που χρησιμοποιούνται στις φορέσιμες κεντημένες κεραίες και γίνεται μια εισαγωγή στο λογισμικό CST. Στο τέταρτο κεφάλαιο δίνονται οι μετρήσεις όλων των παραμέτρων που πραγματοποιήθηκαν με VNA σε γραμμές μεταφοράς οι οποίες διέθεταν διαφορετικές επαφές. Το πέμπτο κεφάλαιο περιέχει τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της γραμμής μεταφοράς στο λογισμικό CST και τα συμπεράσματα που προκύπτουν από τις μετρήσεις και την προσομοίωση.

Development in wearable electronics and antennas is driven by the demand for lighter and smaller personal electronic devices. Integrating antenna into garments allow lower-profile and more portable electronics to be practical without affecting their performance. There are a number of applications for wearable antenna including military, aerospace, rescue, medicine, fashion, etc. Advantages include hands-free operation and comfort to consumers. A wearable antenna is normally made by flexible conductive materials which guarantee the textile characteristics of clothing (soft and flexible).The challenge of wearable antennas is the compromise between these textile characteristics and the antenna electromagnetic performance. After manufacturing, a wearable antenna is usually tested with a Vector Network Analyzer (VNA) or other standard microwave measurement equipment to evaluate its properties. Measurements are usually made by connecting one end of a coaxial cable to the measurement equipment and the other end to the element selected for measurement. In rigid antennas the connection to the VNA is made by soldering an SMA metal connector. However, in a textile system where the elements must be flexible and comfortable to use, such rigid connectors are a problem. Techniques for attaching external equipment to the system do not offer the possibility of removing them when the fabric needs to be washed. For this reason, contacts are required that allow easy disconnection of the electronics. In this paper, the contacts that can be used in wearable embroidered antennas are considered. The first chapter refers to the properties and evolution of wearable embroidered antennas, presents the RF characteristics and performance of conductive fabrics and their forming techniques. In the same chapter, the effect of the density and embroidery direction of the conductive yarns is studied. In the second chapter, the influence of the human body on the operation of the wearable antennas is presented. In the third chapter the properties of the contacts used in the wearable embroidered antennas are presented and an introduction to the CST software is given. In the fourth chapter the measurements of all parameters carried out with VNA on transmission lines which had different contacts are given. The fifth chapter presents the results of the simulation of the transmission line in the CST software and the conclusions drawn from the measurements and the simulation.