Invloed van de Relatieve Vochtigheid op de Werking van Textielantennes. Annelien Van Laere

Invloed van de Relatieve Vochtigheid op de Werking van Textielantennes Annelien Van Laere

Promotoren: prof. dr. ir. Lieva Van Langenhove, prof. dr. ir. Hendrik Rogier Begeleider: ir. Carla Hertleer Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van Burgerlijk materiaalkundig ingenieur

Vakgroep Textielkunde Voorzitter: prof. dr. Paul Kiekens Vakgroep Informatietechnologie Voorzitter: prof. dr. ir. Paul Lagasse Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar 2007-2008

Invloed van de Relatieve Vochtigheid op de Werking van Textielantennes Annelien Van Laere

Promotoren: prof. dr. ir. Lieva Van Langenhove, prof. dr. ir. Hendrik Rogier Begeleider: ir. Carla Hertleer Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van Burgerlijk materiaalkundig ingenieur

Vakgroep Textielkunde Voorzitter: prof. dr. Paul Kiekens Vakgroep Informatietechnologie Voorzitter: prof. dr. ir. Paul Lagasse Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar 2007-2008

De toelating tot bruikleen De auteur geeft de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de scriptie te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze scriptie.

Annelien Van Laere Gent, 2 juni 2008

ii

Invloed van de Relatieve Vochtigheid op de Werking van Textielantennes door Annelien Van Laere Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van Burgerlijk materiaalkundig ingenieur Academiejaar: 2007–2008 Promotoren: Prof. dr. ir. Lieva Van Langenhove, Prof. dr. ir. Hendrik Rogier Begeleider: ir. Carla Hertleer Faculteit Ingenieurswetenschappen Universiteit Gent Vakgroep Textielkunde Voorzitter: Prof. dr. Paul Kiekens Vakgroep Informatietechnologie Voorzitter: Prof. dr. ir. Paul Lagasse

Samenvatting Wearable Textile Systems (draagbare textielsystemen) zijn ontwikkeld vanuit de trend om steeds meer functionaliteit aan te brengen in kledij. Deze systemen, volledig ge¨ıntegreerd in de kledij van de drager, zijn in staat levensfuncties zoals ademhaling en hartslag te controleren, de positie van de drager te bepalen en omgevingsparameters zoals temperatuur en vochtigheidsgraad op te meten. Voor het doorsturen van deze gemeten parameters zijn antennes noodzakelijk. Textielantennes zijn voordelig ten opzichte van conventionele rigide antennes door hun flexibiliteit en laag gewicht en zijn dan ook het onderwerp van heel wat onderzoek. De doelstelling van deze scriptie is het onderzoek naar de invloed van de relatieve vochtigheid op de werking van deze antennes. Na een algemene inleiding in Hoofdstuk 1, wordt in Hoofdstuk 2 het kader geschetst waarin deze scriptie zich situeert. Enkele ontwikkelde Wearable Textile Systems en projecten die belangrijk zijn in de geschiedenis van intelligent textiel worden besproken. In Hoofdstuk 3 worden de basisbegrippen van antennes uitgelegd voor een goed begrip van antennes en in het bijzonder

iii

iv

microstrip patch antennes, de antennes die het meest geschikt zijn om in kledij ge¨ıntegreerd te worden. Het ontwerpen optimalisatieproces van textielantennes met de veldsimulator Advanced Design System wordt uitvoerig besproken in Hoofdstuk 4. Daarnaast vinden we in dit hoofdstuk een bespreking van alle in deze scriptie gebruikte textielmaterialen. In Hoofdstuk 5 wordt het eigenlijke onderzoek naar de invloed van de relatieve vochtigheid op de werking van textielantennes uitgelegd. Er wordt een overzicht gegeven van alle resultaten van het onderzoek en de verwerking ervan. Deze scriptie wordt afgesloten met een algemeen besluit in Hoofdstuk 6. Trefwoorden: Wearable Textile Systems, microstrip patch antennes, textielantennes, relatieve vochtigheid, vochttoeslag

Influence of Relative Humidity on Textile Antenna Performance Annelien Van Laere Supervisor(s): Prof. dr. ir. Lieva Van Langenhove, Prof. dr. ir. Hendrik Rogier, ir. Carla Hertleer Abstract— This article outlines the research of the influence of relative humidity (rH) on textile antenna performance. Therefore, several microstrip patch antennas have been designed to operate in the ISM-band (2.4 GHz–2.4835 GHz) and then manufactured with textile materials. Six different textile materials are applied as antenna substrates, whereas the conducting antenna patch and ground plane are constructed with FlecTronr , a commercially available electrotextile. The different antennas were conditioned for minimal 24 hours at rH of 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 and 90% always at a temperature of 23°C. Each time the antenna performance was measured and the set of results compared with the Maxwell Garnett mixing rule. Keywords— Wearable Textile Systems, microstrip patch antenna, textile antenna, relative humidity, moisture regain Fig. 1. Geometry of the rectangular textile antenna

I. I NTRODUCTION Wearable Textile Systems are developed, given the trend to constantly integrate more functionality into garments. These systems are integrated into clothes to monitor life signs, positioning and activity, and to detect environmental parameters (e.g. temperature or toxic gases). To send these measured parameters to a control center over a wireless link, a wearable antenna is required. Microstrip patch antennas are, thanks to their low profile, the most suitable to be integrated into garments. Those inexpensive antennas don’t disturb the comfort or movement of the person wearing them, as they are flexible and light. [1] Humidity is an environmental parameter that can change drastically, not only with time but also geographically. Antenna performance will depend on this parameter. The textile antennas in this work have been designed and manufactured on six different substrates. Their moisture regain varies depending on the chemical nature of the material and its structure. In this article we will focus on the results of one substrate, Katvlas, a natural material. II. T EXTILE A NTENNA D ESIGN

Parameters Value [mm]

L 45,5

W 16,5

x 11,5

TABLE I D IMENSIONS OF THE RECTANGULAR PATCH ANTENNA

tangent we chose a value of tan δ = 0.02, based on previous experience. B. Antenna design and manufacturing For the different substrates, a rectangular patch antenna with design parameters shown in Figure 1, has been simulated and optimised by means of the 2.5-D field simulator Advanced Design System (ADS)-Momentum from Agilent Technologies. The optimised parameters for Katvlas are shown in Table I and three prototypes are realised. The simulation and results of the return loss measurements for these three prototypes are shown in Figure 2. Although we see that the resonance frequency fr shifts somewhat to higher frequencies compared to the simulation, it is more important to obtain a well defined resonance peak.

A. Materials and characterisation 0 -5 -10 |S11| [dB]

For the conducting parts of the antenna, FlecTronr is used, a thin copper plated high quality ripstop fabric. As antenna substrates, six materials were chosen. We distinguish natural and synthetic materials with different structures (woven, pile structure, foam). In this article we will only describe the proces for the substrate Katvlas, consisting only of the natural fibres cotton and flax. The material has a high moisture regain which equals 8.02% and its thickness is 0.858mm. The relative permittivity ǫr of the fabrics has been derived by comparing measured and simulated resonance frequencies of a rectangular patch antenna. For the substrate Katvlas, we found ǫr = 1.70 and for the loss

-15 -20 -25 Optimalisation Simulation Prototype 1 Prototype 2 Prototype 3

-30 -35 2

2.2

2.4

2.6

2.8

Frequency [GHz]

Fig. 2. Simulated and measured return loss

3

2.2

III. I NFLUENCE OF RELATIVE HUMIDITY

2.1

The experiment is carried out by conditioning all prototypes in a climate with a specific rH and temperature. Then their return loss is immediately measured. This is repeated for the different rH 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 and 90%, always at 23°C. The results of this experiment are shown in Figure 3 for one of the three prototypes. The impact of humidity is twofold: • The resonance frequency fr shifts to the left with increasing relative humidity rH, implying that the relative permittivity ǫr of the material increases with increasing rH. • The resonance peaks become less deep and wider with increasing rH, which means that more losses occur in the material. This is shown by an increased value of tan δ. These influences can be quantified. First of all, we can determine the fr and the bandwidth BW. Because |S11 | < −10dB is not valid for all peaks, we define the BW as the one at –6dB. By comparing simulations to the measurement of the prototype, the values for ǫr and fr are obtained. 0

2 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 Volume fraction water fV

Fig. 4. Linear relation between ǫmix and fV

strates, we learn that they differ significantly and that interaction occurs. This implies that the influence of rH on ǫr does not follow the same pattern for all materials. Based on an ANOVA we can destinguish two groups of significantly different materials but with a similar pattern for the influence of rH. APB1, Katvlas and Jeans, which all have a high moisture regain, form the first group. Urecom and Fleece, with low moisture regain are the second group. The influence of rH for FC1001 is found to be different from the two groups. With regression we find that ǫr and rH have a quadratic relation.

-10

2.4 10% rH 20% rH 30% rH 40% rH 50% rH 60% rH 70% rH 80% rH 90% rH

-15

-20

-25 2

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.2

2.8

2.9

Frequency [GHz]

Fig. 3. Influence of relative humidity rH

B. Maxwell Garnett mixing rule This model describes the relative permittivity of a homogeneous material in which an amount of another material is absorbed. The model assumes that the absorbed particles are perfect spheres replacing perfect spheres of the host material. The permittivity of the mix is given by ǫi − ǫh . (1) ǫmix = ǫh + 3fV ǫh ǫi + 2ǫh − fV (ǫi − ǫh ) ǫh is the relative permittivity of the host material, ǫi that of the absorbed material and fV is the volume fraction of the absorbed material. In this research, we consider water as the absorbed material and the substrates as the different host materials. In Figure 4 this model is compared to the results of the three prototypes. With linear regression, we find that the relation between ǫmix and fV is linear for the three prototypes. As we see that the general trend does not follow the model, the assumptions do not hold – based on the results of this research – and hence the model does not reflect reality. The same conclusion is found for the five other substrate materials. C. Statistical Analysis In Figure 5 the relation between ǫr and rH is given for the six substrates. With an analysis of variance (ANOVA) on all sub-

Relative Permittivity !r

|S11| [dB]

-5

Relative Permittivity mix !mix

A. Experiment and results

Prototype 1 Prototype 2 Prototype 3 Model

2 1.8 1.6 Katvlas Jeans APB1 FC1001 Urecom Fleece

1.4 1.2 1 0

20

40

60

80

100

120

140

Relative Humidity rH [%]

Fig. 5. Influence of rH on ǫr for six substrates

IV. C ONCLUSIONS The results found for the substrate Katvlas can be generalised for the six substrates investigated. We found that the impact of relative humidity is twofold: both the relative permittivity of the material and its loss tangent increase with increasing rH. Another result is that the relation between ǫmix and fV is found to be linear for all materials, although it does not follow the Maxwell Garnett mixing rule. After a statistical analysis two groups are formed in the materials that have similar impact of rH on ǫr . The correlation between these parameters is quadratic. [2] R EFERENCES [1] C. Hertleer, F. De Clercq, A. Tronquo, H. Rogier and L. Van Langenhove, Design of Textile Antennas for Smart Clothing, Proc. of the AUTEX Conference, Raleigh, NC, USA, june 2006, accepted for publication. [2] A. Van Laere, Invloed van de Relatieve Vochtigheid op de Werking van Textielantennes, Master’s Thesis,Ghent University, 2008.

Inhoudsopgave 1 Inleiding

1

I

3

Literatuurstudie

2 Intelligent Textiel 2.1 Algemeen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Netwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Wearable Textile Systems . . . . . . . . . . 2.3.1 Wearable Motherboard (SmartShirt) 2.3.2 LifeShirtr Clinical System . . . . . 2.3.3 IntelliTex Suit . . . . . . . . . . . . 2.3.4 De Mamagoose pyjama . . . . . . . 2.4 Projecten rond Intelligent Textiel . . . . . . 2.4.1 Het ProeTEX project . . . . . . . . 2.4.2 Andere projecten . . . . . . . . . . . 3 Textielantennes 3.1 Elektromagnetische straling 3.2 De eenheid Decibel dB . . . 3.3 Microstrip Patch Antennes 3.3.1 Stralingsmechanisme 3.3.2 Voedingstechnieken . 3.4 Antennekarakteristieken . . 3.4.1 De reflectiecoëfficiënt 3.4.2 Mismatchfactor . . . 3.4.3 Padverlies . . . . . . 3.4.4 Polarisatie . . . . . . 3.4.5 Antennewinst . . . . 3.4.6 Antenneëfficiëntie . . 3.4.7 Bandbreedte (BW) .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

v

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

4 4 6 7 8 10 10 11 13 13 15

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

17 . . . . . . . . 17 . . . . . . . . 19 . . . . . . . . 19 . . . . . . . . 20 . . . . . . . . 21 . . . . . . . . 22 . . . . . . . . 22 . . . . . . . . 23 . . . . . . . . 23 . . . . . . . . 24 . . . . . . . . 25 . . . . . . . . 26 . . . . . . . . 26

Inhoudsopgave

II

vi

Onderzoek

28

4 Ontwerp en realisatie textielantennes 4.1 Methode Ontwerp en Optimalisatie . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Optimalisatieprocedure in ADS . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Bepalen van de eigenschappen van textielmaterialen 4.1.2.1 Dikte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2.2 Permittiviteit . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2.3 Verliestangens . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Materialen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Elektrotextielen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Verlijming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Substraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3.1 APB1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3.2 FC1001 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3.3 Fleece . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3.4 Katvlas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3.5 Jeans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3.6 Urecom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3.7 Azzuri Mousse . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Gerealiseerde antennes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 APB1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 FC1001 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3 Fleece . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.4 Katvlas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.5 Jeans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.6 Urecom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.7 Azzuri Mousse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Invloed van de relatieve vochtigheid 5.1 Vochttoeslag . . . . . . . . . . . . . 5.2 Resultaten . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 APB1 . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 FC1001 . . . . . . . . . . . . 5.2.3 Fleece . . . . . . . . . . . . . 5.2.4 Katvlas . . . . . . . . . . . . 5.2.5 Jeans . . . . . . . . . . . . . 5.2.6 Urecom . . . . . . . . . . . . 5.3 Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Statistische Analyse . . . . . . . . . 5.4.1 Inleiding . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

29 . . . . . . . . . . . . 29 . . . . . . . . . . . . 30 . . . . . . . . . . . . 33 . . . . . . . . . . . . 33 . . . . . . . . . . . . 33 . . . . . . . . . . . . 34 . . . . . . . . . . . . 35 . . . . . . . . . . . . 35 . . . . . . . . . . . . 35 . . . . . . . . . . . . 36 . . . . . . . . . . . . 36 . . . . . . . . . . . . 37 . . . . . . . . . . . . 38 . . . . . . . . . . . . 39 . . . . . . . . . . . . 39 . . . . . . . . . . . . 39 . . . . . . . . . . . . 40 . . . . . . . . . . . . 41 . . . . . . . . . . . . 41 . . . . . . . . . . . . 46 . . . . . . . . . . . . 47 . . . . . . . . . . . . 48 . . . . . . . . . . . . 49 . . . . . . . . . . . . 50 . . . . . . . . . . . . 52

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

54 54 57 57 60 63 66 70 72 76 82 82

Inhoudsopgave

5.4.2 5.4.3

vii

Variantie-analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kwadratische regressie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82 84

6 Besluit

89

Bibliografie

91

Lijst van figuren

95

Lijst van tabellen

98

Lijst met afkortingen ISM PCM LAN WAN PAN BAN WLAN GSM ECG SIDS RIP ANBRE SFIT MPA VNA ADS CAD MoM PA PAr PET PU PVC NBR ACN

Industrial, Scientific and Medical Phase Change Materials Local Area Network Wide Area Network Personal Area Network Body Area Network Wireless Local Area Network Global System for Mobil communications Elektrocardiogram Sudden Infant Death Syndrom Respirathory Inductive Plethysmograph ANalogue Biomechanics REcorder Smart Fibres and Interactive Textiles Microstrip Patch Antenne Vector Network Analyzer Advanced Design System Computer-aided Design Momentenmethode Polyamide Polyaramide Polyethyleentereftalaat Polyurethaan Polyvinylchloride Acrylonitrile butadieen rubber Acrylonitrile

viii

Hoofdstuk 1

Inleiding De reden waarom brandweerlui soms het leven laten, is niet omdat ze in de vlammen blijven, maar omdat ze oververhit raken zonder het zelf te beseffen. Voor een brandweerman is de juiste informatie dus van levensbelang en hier biedt intelligent textiel een mogelijke ondersteuning. Dit concept maakt dat vitale parameters, zoals hartslag, ademhaling of lichaamstemperatuur via de kledij kunnen gemeten worden. Ook informatie over de omgeving, denk maar aan vochtigheid of aanwezigheid van bepaalde gassen of gevaar, kunnen gedetecteerd worden. Een textielantenne kan deze essentiële informatie doorsturen naar een basisstation waardoor een eindverantwoordelijke, zoals de brandweercommandant, in het oog kan houden hoe zijn korps het stelt. De hierboven geschetste situatie is een van vele waarin textielantennes zeer belangrijke apparatuur blijken te zijn. De ontwikkeling van deze textielantennes komt voort uit de trend om steeds meer functionaliteit in kledij aan te brengen. Dit leidde tot het ontstaan van de term Wearable Textile Systems of draagbare textielsystemen. Door een ver doorgedreven combinatie van textielcomponenten en elektronica tracht men kledingstukken te bekomen die levensfuncties monitoren, positie bepalen en omgevingsparameters meten. In situaties zoals het voorbeeld van de brandweerlui, is het uiteraard onmogelijk deze data via een bedraad netwerk door te sturen, wat het gebruik van draadloze communicatie via antennes noodzakelijk maakt. Standaard antennes worden typisch gebouwd op rigide materialen of bestaan uit kwetsbare uitstekende metallische onderdelen waardoor ze het comfort van de drager verstoren. Hierdoor ontstond het idee van wearable (draagbare) antennes die volledig ontwikkeld zijn uit textielmaterialen. Het grote voordeel van deze ontwikkeling behelst de mogelijkheid tot een volledige integratie van de antenne in de kledij. Kledij biedt immers een groot oppervlak voor de integratie waardoor de omvang van de antenne niet echt een rol speelt. Bovendien wordt de drager van de antenne niet gehinderd. De Vakgroepen Informatietechnologie en Textielkunde van de Universiteit Gent werken reeds enkele jaren samen rond het ontwerp en onderzoek van microstrip patch antennes in textiel voor gebruik in de ISM-band. Dit onderzoek loopt voor het Europese ProeTEX-project ondermeer in samenwerking met de brandweer van Parijs en werd reeds voorgesteld op verschillende con-

1

Hoofdstuk 1. Inleiding

2

ferenties [1, 2, 3]. Mijn scriptie levert een bijdrage aan dit lopende onderzoek en stelt zich tot doel de invloed van de vochtigheid op de werking van textielantennes na te gaan en hiervoor een model op te stellen. Zoals blijkt uit vorige uiteenzetting kan een textielantenne zeer belangrijk zijn voor de veiligheid van brandweerlui en andere reddingswerkers. Het is dan ook van substantieel belang het gedrag van deze component te kennen in alle omstandigheden. Vochtigheid is een omgevingsparameter die zeer sterk varieert, niet alleen in tijd maar ook geografisch. Met de kennis van deze parameter willen we het gedrag van de antenne kunnen voorspellen om zo te vermijden dat een antenne bijvoorbeeld plots niet blijkt te werken op een regendag. Opbouw van de scriptie Dit afstudeerwerk bestaat uit twee grote delen. Het eerste deel schetst in Hoofdstuk 2 het kader waarin deze scriptie zich situeert. Er wordt een algemene inleiding gegeven op intelligent textiel, netwerken en Wearable Textile Systems. Daarnaast wordt dieper ingegaan op enkele projecten waaronder het ProeTEX-project, die naar aanleiding van het onderzoeksveld van intelligent textiel zijn opgericht. Hoofdstuk 3 sluit het eerste deel af met een bespreking van de basisbegrippen van antennes. In het bijzonder worden microstrip patch antennes besproken omdat deze het meest geschikt zijn om in kledij ge¨ıntegreerd te worden. Het tweede deel van deze scriptie omvat de beschrijving van het uitgevoerde onderzoek. In Hoofdstuk 4 wordt het ontwerpen optimalisatieproces van textielantennes met de veldsimulator Advanced Design System uitvoerig besproken. Ook de methodes voor het bepalen van de eigenschappen van de textielmaterialen komen aan bod. Daarnaast vinden we in dit hoofdstuk een bespreking van alle in deze scriptie gebruikte textielmaterialen. Het hoofdstuk wordt afgesloten met een gedetailleerde beschrijving van het proces om tot de verschillende textielantennes te komen. In Hoofdstuk 5 wordt het eigenlijke onderzoek naar de invloed van de relatieve vochtigheid op de werking van textielantennes uitgelegd. Hiertoe wordt eerst een bespreking gegeven van de vochttoeslag van de verschillende gebruikte materialen. Er wordt vervolgens een overzicht gegeven van alle resultaten van het onderzoek en tot slot worden de resultaten vergeleken met de Maxwell Garnett mixing rule en onderworpen aan een statistische analyse. Deze scriptie wordt afgesloten met een algemeen besluit in Hoofdstuk 6.

Deel I

Literatuurstudie

3

Hoofdstuk 2

Intelligent Textiel 2.1

Algemeen

’Intelligent Textiel’ vormt een relatief recent onderzoeksveld dat ontstaan is in de jaren ’90 uit de trend om kledij steeds functioneler te maken. Hierbij draait het dus om meer dan een enkelvoudige functie. Intelligent textiel kan immers impulsen uit de omgeving opvangen en erop reageren, naast de mogelijkheid tot een zelfstandig functioneren. Het geeft een antwoord op zeer concrete behoeften die verschillende gebruikers hebben in verband met gezondheid, bescherming, communicatie, comfort en veiligheid. Zo kan textiel waarvan de kleur verandert een functie krijgen in veiligheidskleding waarbij de drager door de kleurverandering wordt gewaarschuwd dat de temperatuur, vochtigheid of zuurtegraad een bepaald veilig niveau heeft overschreden. Een ander voorbeeld betreft de selectieve afgifte van stoffen (bijvoorbeeld geurstoffen of medicijnen die in de vezel zijn opgenomen) vanaf een bepaalde temperatuur. Een Wearable Textile System of draagbaar textielsysteem bestaat doorgaans uit vijf essentiële componenten: sensoren, data verwerkingseenheid, actuatoren, energievoorziening en communicatiesystemen. Deze componenten vereisen geschikte materialen en structuren die compatibel moeten zijn met de functie van kledij: comfortabel, duurzaam en bestand tegen normale textielonderhoudsprocessen. Ze worden dus best uit textielmaterialen of uit textielcompatibele materialen gemaakt. Ze hebben elk een duidelijke rol, hoewel niet elk intelligent kledingstuk alle componenten bezit. [4] Sensoren: Sensoren die zich aan de binnenkant van het kledingstuk bevinden, kunnen signalen meten op het lichaam, de zogenaamde biosignalen. Voorbeelden van biosignalen zijn lichaamstemperatuur, ademhaling, beweging, hartslag, bloeddruk en spieractiviteit. Deze component kan eveneens signalen uit de omgeving meten, zoals temperatuur, vochtigheidsgraad en de aanwezigheid van toxische gassen, straling of micro-organismen. Dataverwerking: Een dataverwerkingseenheid is vereist wanneer actieve verwerking van de data van de sensoren nodig is. Een knelpunt blijft de interpretatie van de data. Textielsensoren kunnen een reusachtig aantal data produceren, maar de betekenis is soms

4

Hoofdstuk 2. Intelligent Textiel

5

onduidelijk. Signalen kunnen bijvoorbeeld sterk variëren bij verschillende patiënten en soms is er een zeer complexe analyse nodig om stationaire en tijdafhankelijke signalen te interpreteren. Tevens is het belangrijk dat er juist gereageerd wordt op een impuls. De beste reactie kan variëren van persoon tot persoon en in de tijd. Dynamische, zelf-lerende systemen zijn dus noodzakelijk. Daarnaast is het ook zo dat textielmaterialen geen gegevensverwerkende mogelijkheden bezitten, wat de aanwezigheid van elektronica noodzakelijk maakt. Deze laatste is reeds beschikbaar in geminiaturiseerde vorm en zelfs in flexibele vorm. Bovendien moet ervoor gezorgd worden dat het kledingstuk na een wasbeurt nog steeds functioneert. De elektronica kan bijvoorbeeld worden ingebed in waterbestendige materialen, maar toch is hun levensduur nog beperkt. Actuatoren: Deze component van het draagbaar textielsysteem geeft een respons op een impuls die bijvoorbeeld thermisch, elektrisch of chemisch kan zijn. Zo reageert een geheugenlegering op temperatuursveranderingen door bij opwarming de vorm aan te nemen die ze initieel kreeg. Een ander voorbeeld vormen de faseovergangsmaterialen of Phase Change Materials (PCM). PCM’s kunnen warmte opslaan, absorberen en vrijstellen bij hun wisselingen tussen vaste en vloeibare vorm. Ze geven warmte af wanneer ze veranderen naar vaste toestand en nemen warmte op wanneer ze terugkeren naar vloeibare toestand. Deze materialen kunnen als microcapsules verwerkt worden in vezels. Energie: Er bestaan reeds flexibele batterijen die gemakkelijk kunnen ge¨ıntegreerd worden in een kledingstuk en voor de nodige energie zorgen. Daarnaast zijn er ook fysische verschijnselen die een spanning kunnen genereren. Zo zijn er piëzo-elektrische materialen, die een spanning genereren onder invloed van druk. Dit is een gekend effect bij bepaalde kristallen, dergelijk materiaal is echter nog niet beschikbaar onder vezelvorm. Het Seebeck effect is gekend in thermokoppels die een temperatuurverschil omzetten in een spanning. Ook zonne-energie kan worden omgezet in elektrische energie, de zogenaamde fotovolta¨ısche energie. Er bestaan reeds flexibele zonnecellen om kledij van energie te voorzien. Communicatie: Communicatie in een draagbaar textielsysteem grijpt plaats op verschillende niveaus: tussen de verschillende componenten in het pak, tussen het pak en de drager, en tussen het pak en de omgeving. De textielantenne heeft toepassing op het laatste niveau omdat deze zorgt voor communicatie met de omgeving. Interconnecties staan in voor de bedrade communicatie tussen de verschillende componenten in het pak. Ze vormen nog een knelpunt omdat verschillende praktische problemen moeten overwonnen worden alvorens echte gegevensverwerkende vezels op de markt zullen zijn: wasechtheid, vervorming, elasticiteit...


2.2

6

Netwerken

Een computernetwerk dat een relatief kleine omgeving overspant, wordt een Local Area Network (LAN) genoemd. De meeste LAN’s zijn geassocieerd met een gebouw of een groep gebouwen, maar een LAN kan over elke afstand verbonden worden met andere LAN’s via telefoonlijnen en radiogolven. Zo een systeem wordt een Wide Area Network (WAN) genoemd. Elke individuele computer heeft een eigen processor die het mogelijk maakt programma’s uit te voeren. Daarnaast is er ook toegang tot data en toestellen overal in de LAN. Dit betekent dat vele gebruikers bijvoorbeeld een printer kunnen delen, alsook gegevens. Ze kunnen ook gebruik maken van het LAN om met elkaar te communiceren bijvoorbeeld via e-mail of chat-sessies. In een LAN kunnen data zeer snel worden overgebracht, veel sneller dan mogelijk is via een telefoonlijn. De afstanden zijn echter gelimiteerd alsook het aantal computers dat op een LAN kan worden aangesloten. In Figuur 2.1 wordt een WAN en verschillende LAN’s weergegeven.

Figuur 2.1: WAN en LAN

Wanneer een computernetwerk gebruikt wordt voor communicatie tussen apparaten dicht bij één persoon, spreken we van een Personal Area Network (PAN). Het bereik hiervan is typisch enkele meters. PAN’s kunnen gebruikt worden voor communicatie tussen de persoonlijke apparaten zelf (intrapersonal communication), of kunnen verbonden worden met een netwerk van hoger niveau en met Internet (uplink ). Wanneer een netwerk slechts één persoon dekt, spreekt men ook van een Body Area Network (BAN). Het concept hiervan is om een persoon volledig uit te rusten met verschillende draagbare componenten waarmee gecommuniceerd kan worden. Een belangrijke toepassing hiervan is het monitoren van de gezondheid in ’real time’ door sensoren op het lichaam en ingeplante sensoren. In Figuur 2.2 wordt het concept van BAN en LAN weergegeven.


7

Figuur 2.2: Concept BAN en LAN

Wanneer in een computernetwerk geen fysische draadverbinding aanwezig is tussen zender en ontvanger, spreekt men van een draadloos netwerk. Hier komt de communicatie tot stand door elektromagnetische golven in het radiofrequentie en microgolffrequentiebereik (Figuur 3.2). Men spreekt van een Wireless Local Area Network (WLAN). Verscheidene standaarden en protocols werden gedefinieerd om draadloze communicatie tot stand te brengen tussen de verschillende apparaten in een netwerk. Deze bepalen welk vermogen mag gebruikt worden en leggen hierdoor ook de afstand vast waarover de communicatie werkzaam is. Bluetooth is waarschijnlijk het meest gekende protocol en werd oorspronkelijk ontworpen voor communicatie over beperkte afstand (10 - 100m). Zelfs wanneer deze apparaten zich niet in dezelfde ruimte bevinden maar toch in de buurt, maakt Bluetooth communicatie mogelijk. Bluetooth is ook gekend als IEEE 802.15.1 en is beschikbaar in drie verschillende vermogensklassen. Andere voorbeelden van protocols zijn Zigbee en HiperLAN2. [4]

2.3

Wearable Textile Systems

Hoe draagbare textielsystemen inpassen in allerlei toepassingen om de levenskwaliteit van mensen te verbeteren? Deze vraag kreeg vorm in een groot aantal projecten. De projecten Wealthy, MyHeart en Biotex onderzoeken electronic textiles, e-textiles of geleidende textielmaterialen, terwijl Healthy AIMS BAN’s bestudeert. In februari 2006 ging het ProeTEX -project van start. De Vakgroepen Informatietechnologie en Textielkunde van de Universiteit Gent, staan hierbij in voor de verschillende benodigde wearable antennes. Naast deze Europese projecten, zijn over de hele wereld projecten rond intelligent textiel van verschillende omvang aan de gang. Enkele van de belangrijkste reeds ontwikkelde wearable textielsystemen worden in dit onderdeel besproken. [5, 6]


2.3.1

8

Wearable Motherboard (SmartShirt)

Het eerste kledingstuk ter wereld met intelligent textiel was het Wearable Motherboard. Het resulteerde uit het onderzoek gevoerd aan Georgia Institute of Technology in de School of Polymer, Textile and Fiber Engineering eind jaren ’90. Het product werd gecommercialiseerd onder de naam SmartShirt en op de markt gebracht door Sensatex, een life science technology bedrijf dat zich voornamelijk bezighoudt met het ontwikkelen van intelligente textielsystemen. Het SmartShirt werd oorspronkelijk ontwikkeld voor gevechts- en/of oorlogssituaties waarbij het onderzoek werd gefinancierd door DARPA, The Defense Advanced Research Projects Agency, de centrale onderzoeks- en ontwikkelingsorganisatie van het Department of Defense (US). De SmartShirt gebruikt een ingeweven matrix van optische vezels om schotwonden te detecteren, en doet een beroep op speciale sensoren en interconnecties om de lichaamsfuncties van de drager te monitoren. Hierdoor kan een efficiënte medische interventie plaatsgrijpen bij schotwonden en slechte vitale parameters. Het SmartShirt is een nauwaansluitende unisex T-shirt waarin metalen garens voor de interconnecties zorgen. De naam Motherboard is afkomstig van het interconnectiegrid waar sensoren worden ingeplugd. Deze sensoren kunnen hartslag, ademhaling, lichaamstemperatuur en andere levensfuncties in ”real time” meten. Bovendien weegt het SmartShirt niet veel en kan het gemakkelijk gedragen worden door zowel jong als oud. In Figuur 2.3(a) ziet u een foto van het SmartShirt, wat eruit ziet als een banale T-shirt. Echter uit Figuur 2.3(b), waar de verschillende interconnecties zijn weergegeven, blijkt dat dit niet zo is.

(a) Foto Smart Shirt

(b) Interconnecties

Figuur 2.3: Wearable Motherboard

Het hierboven geschetste scenario, waarbij het een bijdrage levert om het aantal slachtoffers bij oorlog te beperken, is niet de enige situatie waarin de SmartShirt kan worden ingezet. Zo kan bijvoorbeeld een hartpatiënt na een hartoperatie toch relatief snel het ziekenhuis verlaten. De werking van zijn hart kan immers makkelijk worden opgevolgd wanneer hij of zij dit intelligent


9

kledingstuk draagt. Hierdoor kunnen enerzijds de ziektekosten worden gedrukt, doordat opnamekosten worden vermeden. Anderzijds wordt in de meeste gevallen het herstel van de patiënt gestimuleerd door een vertrouwde thuisomgeving. Bovendien kampen sommige patiënten met een gevoel van onzekerheid wanneer ze het ziekenhuis verlaten omdat ze zich afgesneden voelen van de constante controle en zorg die ze in een ziekenhuis krijgen. Dit gevoel is tevens een factor die het herstel van de patiënt be¨ınvloedt. Het constant thuis monitoren kan hem of haar geruststellen. Andere toepassingen van het SmartShirt kunnen gevonden worden in een continue monitoring van astronauten in de ruimte of van atleten tijdens training of competitie. Uiteraard vereist het bewaken van de lichaamsfuncties de aanwezigheid van een draadloos communicatiesysteem, zoals GSM of Internet, zodat bijvoorbeeld het elektrocardiogram (ECG) van de hartpatiënt kan worden doorgestuurd naar het ziekenhuis. In Figuur 2.4 wordt een dergelijk draadloos communicatiesysteem weergegeven. Het systeem verzamelt analoge signalen van de geleidende sensoren in textiel en stuurt deze door een rooster van geleidende vezels die in het T-shirt gebreid zijn. Een textielconnector stuurt de analoge signalen naar een kleine persoonlijke controller die men in de zak van het shirt draagt. Deze persoonlijke controller digitaliseert het signaal en brengt het over naar een Bluetooth of Zigbee ontvanger, die op zijn beurt de informatie verstuurt naar een basisstation waar deze wordt verzameld, weergegeven en/of opgeslagen. [4, 7, 8, 9, 10]

Figuur 2.4: Draadloos communicatiesysteem rond de SmartShirt


2.3.2

10

LifeShirtr Clinical System

Het LifeShirtr Clinical System van VivoMetrics is een elastische vest met sensoren die het mogelijk maken om meer dan 30 vitale fysiologische functies op te meten, waaronder het elektrocardiogram (ECG), ademhaling, bloeddruk, lichaamstemperatuur en beweging. Een elektronische kabel verbindt het vest met een opslagsysteem (Figuur 2.5). Het LifeShirt verzamelt data gedurende de dagelijkse routine van de drager zodat een continue ”film” van zijn of haar gezondheid bekomen wordt in alledaagse situaties zoals op het werk, op school, in de auto, tijdens sportbeoefening, wanneer hij of zij slaapt. Voor onderzoekers is dit bruikbaarder dan de informatie bekomen uit één enkel ’snapshot’ bij een typisch medisch onderzoek. Een ander voordeel is dat de verschillende levensfuncties simultaan worden gemeten, zodat ze met elkaar in verband kunnen gebracht worden. Ondanks het feit dat dit LifeShirt het textiel enkel als drager gebruikt, past het toch in de reeks van Wearable Textile systemen, net door het gebruik van textiel als drager van de elektronica. Zoals in de SmartShirt zijn de sensoren conventionele sensoren die niet uitgevoerd zijn in textiel. Het systeem om de ademhaling te meten, is gebaseerd op inductieve plethysmografie. Hierbij wordt het ademhalingspatroon geobserveerd door een continue elektrische stroom te sturen door extern geplaatste sinuso¨ıdale rijen van draden die de borstkas en de onderbuik omringen. [11]

Figuur 2.5: LifeShirtr Clinical System

2.3.3

IntelliTex Suit

Dit IWT-project dat in samenwerkingsverband liep van 2000 tot 2004 tussen de afdeling ESATMICAS van de K.U. Leuven en de Vakgroepen Textielkunde, Pediatrie en Genetica van de Universiteit Gent, resulteerde in de ontwikkeling van het IntelliTex Suit. Dit intelligent pakje of Smart Suit is bedoeld voor medische toepassingen waarbij kinderen gedurende een lange periode dienen opgevolgd te worden in het ziekenhuis. Voor kinderen is een verblijf in het ziekenhuis geen prettige ervaring, mede door de vele elektroden op hun lichaam en de draden die deze elektroden


11

verbinden met de monitor. Bovendien zorgen standaardsensoren vaak voor irritatieproblemen tengevolge van de elektrogel die voor een goed geleidend contact moet zorgen tussen de huid en de elektrode. Deze problemen werden verholpen door de ontwikkeling van een intelligent pak, waarin alle sensoren ingebouwd werden in textiel. Dit maakt dat het kind veel minder gehinderd wordt in zijn bewegingen. Het doel van dit project was zoveel mogelijk componenten in textielmateriaal te vervaardigen om tot een optimale integratie in het kledingstuk te komen. Twee soorten textielsensoren werden ontwikkeld: de Textrodes voor de bewaking van het hart en de Respibelt voor het controleren van de ademhaling. Het volledige pakje is te zien in Figuur 2.6.

Figuur 2.6: IntelliTex Suit

De Textrode voor de ECG-meting is gebreid uit roestvrij staalgaren. In tegenstelling tot andere sensoren worden de Textrodes rechtstreeks op de huid geplaatst en is er dus geen elektrogel nodig. De goede geleiding gebeurt nu namelijk door het natuurlijke zweet. Zweet is immers een elektrolyt, waardoor het elektrisch signaal beter geleid wordt naar de elektrode. De Respibelt is eveneens vervaardigd uit roestvrij staal, gebreid in een band die Lycra bevat. Deze band wordt rond de onderbuik vastgehecht en maakt gebruik van de verandering van de weerstand en de inductantie van het metaalgaren voor het bepalen van de ademhalingssnelheid. De Textrodes en de Respibelt werden ge¨ıntegreerd in een pakje, waarin ook een elektronisch circuit en een datatransmissiesysteem zijn ingewerkt. De gegevens, afkomstig van de sensoren, worden in het elektronisch systeem verwerkt en vervolgens door middel van een inductieve link verzonden van het pak naar een basisstation. Deze link bestaat uit een secundaire spoel, volledig in textiel uitgewerkt in het IntelliTex Suit en een primaire spoel (het basisstation) die zich bijvoorbeeld in de matras kan bevinden. [12, 13]

2.3.4

De Mamagoose pyjama

Het onderzoeksproject naar Sudden Infant Death Syndrom (SIDS), beter gekend als wiegendood, werd ondersteund door de ervaringen opgedaan bij twee projecten in de ruimte. Het reeds vermelde Respirathory Inductive Plethysmograph (RIP) en de meettechnieken van ANalogue Biomechanics REcorder (ANBRE) werden geoptimaliseerd voor gebruik bij baby’s in het


12

Mamagoose-project. Dit project werd ontwikkeld door Verhaert Design & Development in samenwerking met dr. Paiva van het Biomedisch Fysisch Laboratorium van de Universiteit van Brussel. De Mamagoose-pyjama, te zien in Figuur 2.7, heeft vijf speciale sensoren, geplaatst op borst en buik: twee sensoren die de ademhaling meten en drie elektroden die de hartslag meten. Dit dubbele sensorsysteem garandeert een hoog niveau van meetnauwkeurigheid. De speciale sensoren komen niet direct in contact met het lichaam, zodat het comfort van de baby niet in het gedrang komt. [14]

Figuur 2.7: Mamagoose Pyjama

Mamagoose-pyjama’s bestaan uit wasbare textielmaterialen en het ontwerp werd zo uitgevoerd dat tijdens het gebruik, de verschillende sensoren op hun plaats blijven. Een controle-eenheid is verbonden met de pyjama en verwerkt continu de signalen ontvangen van de vijf sensoren. Deze processor is uitgerust met een alarmalgoritme dat de ademhalingspatronen bestudeert en onverwachte en mogelijk gevaarlijke situaties detecteert. Als hulp bij het stellen van een diagnose slaat het selectief geheugen de data op van een zekere periode voor en na het alarm. Het babypakje heeft drie doelgroepen: de ouders die het pakje gebruiken om over hun kind te waken en zo wiegendood willen voorkomen, de pediater die meer informatie nodig heeft om te kunnen bepalen welk probleem optrad op het moment van het alarm en onderzoeksinstituten die meer informatie willen over het slaapgedrag van kinderen in hun natuurlijke omgeving wanneer ze over een lange periode worden geobserveerd. Deze systemen kunnen uitgebreid worden met antennes die in geval van een probleemsituatie een signaal zenden naar een GSM van één van de ouders of een andere ontvanger. Vermits we de baby niet wensen te storen met harde metalen die ook niet erg flexibel zijn, is een uitvoering van antennes in textielmaterialen aangewezen.


2.4 2.4.1

13

Projecten rond Intelligent Textiel Het ProeTEX project

ProeTEX (PROtection E-TEXtiles), een vier jaar durend project dat werd opgestart in 2006, heeft als doel het ontwikkelen van intelligente kledij voor reddingswerkers waaronder brandweerlui en leden van de civiele bescherming. Deze kledij moet hun veiligheid garanderen, voor een goede communicatie zorgen en het efficiënt optreden bij rampen toelaten. Deze textielsystemen moeten onder andere in staat zijn vitale lichaamsfuncties te bewaken zoals hartritme, ademhalingsritme en interne temperatuur, en andere fysiologische parameters (zweet, dehydratatie, elektrolyten, stress indicatoren, O2 ) te monitoren. Daarnaast moet het ook mogelijk zijn gevaren in de omgeving te detecteren, zoals de aanwezigheid van gevaarlijke gassen en dampen. Bovendien moet een laagvermogen lokale draadloze communicatie voorzien worden, gebruikmakend van een ge¨ıntegreerde textielantenne. Deze antennes worden gerealiseerd binnen de Vakgroepen Informatietechnologie en Textielkunde. [15, 16, 17] Het project bevindt zich in het stadium van de afwerking van een eerste set prototypes waarbij alle bovenvermelde functionaliteiten zijn ingebouwd in een pak. Het onderhemd, te zien in Figuur 2.8(a) bevat de sensoren voor de levensfuncties, terwijl in de buitenjas, te zien in Figuur 2.8(b), de sensoren worden aangebracht om gevaren vanuit de omgeving te detecteren. In Figuur 2.9 is te zien dat energievoorziening, interconnecties, elektronica en lokale processingeenheid, apparatuur voor communicatie en het geven van alarmen het systeem moeten vervolledigen. Deze zijn meestal opgenomen in de buitenjas.

(a) Onderhemd

(b) Buitenjas

Figuur 2.8: Prototypes ProeTEX


14

Figuur 2.9: Het geheel

Het is tevens de bedoeling om binnen dit project een soort band te maken, de civilian band die gemakkelijk rond de borstkas van gekwetste burgers kan worden aangebracht en die het mogelijk maakt de toestand van gewonden op een efficiënte manier te bepalen. Een prototype van zo een band is weergegeven in Figuur 2.10.

Figuur 2.10: Civilian band


2.4.2

15

Andere projecten

ProeTEX maakt deel uit van een cluster van zeven gerelateerde projecten, gefinancierd door de EU die werken rond Smart Fibres and Interactive Textiles (SFIT). Hieronder worden deze projecten kort toegelicht. [18] STELLA STELLA staat voor STretchable ELectronics for Large Area applications en is een project gericht op het ontwikkelen van rekbare elektronica voor het gebruik in de gezondheidszorg en in functionele kledij, en op het integreren van elektronica in rekbare producten. [19] BIOTEX Het BIOTEX -project (BIO-sensing TEXtile for health management) ontwikkelt biochemisch-voelende technieken die in textiel ge¨ıntegreerd kunnen worden. Hierbij is het textiel zelf de sensor en worden verschillende lichaamsvloeistoffen gecontroleerd. [20] ConText (Contact less sensors for body monitoring incorporated in Textiles) Verschillende types sensoren zonder contacten worden ge¨ıntegreerd in textiel en meten elektrische signalen van spieren (electromyografie) en van het hart (electrocardiografie). Hierdoor kan spieren hartactiviteit van ongetrainde individuen gemeten en continu gecontroleerd worden om informatie te verschaffen over spieractiviteit en stresstoestand. [21, 22] MyHeart (Fighting Cardiovascular Disease by preventive Lifestyle & early Diagnosis) Met dit project wil men informatie verkrijgen over de actuele gezondheidstoestand van burgers door het continu monitoren van hun levensfuncties. Het is de bedoeling dit alles te integreren in functionele kledij met textielsensoren en electronica die in staat is de gegevens on-body te verwerken. [23] OFSETH (Optical Fibre Sensors Embedded into technical Textile for Healthcare) Hierbij wil men sensoren gebaseerd op optische vezels, integreren in functionele kledij om de mogelijkheden van draagbare oplossingen voor gezondheidscontrole nog uit te breiden. [24] MERMOTH (MEdical Remote MOniToring of ClotHes) Hierbij ligt het doel op het ontwikkelen van medische controlesystemen gebaseerd op comfortabele kledingstukken die intelligente biosensoren integreren. De prototypes zijn bruikbaar bij het testen van medicijnen en bij universitaire medische onderzoeken. [25] Zoals hiervoor reeds gezegd, zijn over de hele wereld projecten aan de gang. Een nieuw project dat gestart is op 1 mei 2008 is SysTEX (Coordination action for enhancing the breakthrough of intelligent texile systems). De Vakgroep Textielkunde van de Universiteit Gent is hierbij projectcoördinator. SysTEX heeft als doel een kader te ontwikkelen voor huidige en toekomstige ontwikkelingen, onderwijs en overdracht van technologie op het gebied van e-textielen en draagbare microsystemen en elektronica in Europa. Het wil de textielindustrie op een efficiënte en effectieve manier veranderen naar een dynamische, innovatieve, competitieve en duurzame sector tegen 2015.


16

Enkele concrete doelstellingen van SysTEX zijn het uitgebreid en gedetailleerd in kaart brengen van de huidige en mogelijk toekomstige ontwikkelingen in e-textielen. Tevens het organiseren en vergemakkelijken van contacten, training en uitwisselingen om de noden, doorbraken en knelpunten in de sector te identificeren. Het project wil ook een platform over intelligente textielen verstrekken, voor de partners die deel uitmaken van de Europese projecten, maar ook voor de ge¨ınteresseerde bedrijven en gebruikers. Een ervaren raadgever zal contracten en samenwerkingsovereenkomsten analyseren en overeenkomsten voorbereiden die uitwisseling van informatie en materialen mogelijk maakt tussen relevante projecten zonder de bescherming van de resultaten te overtreden.

Hoofdstuk 3

Textielantennes Een antenne kan algemeen gedefinieerd worden als elke structuur die kan gebruikt worden om elektromagnetische velden uit te zenden of te ontvangen. Een wearable antenna of draagbare antenne is een antenne ontworpen om een deel uit te maken van kledij. In het vorige hoofdstuk worden de toepassingsgebieden van textielantennes gekaderd. In wat volgt wordt de terminologie rond antennes meer in detail besproken alsook de werking van de antennes. [4, 26, 27]

3.1

Elektromagnetische straling

Zoals hierboven aangegeven, wordt een antenne ontworpen om signalen uit te zenden en te ontvangen. Dit gebeurt door het uitstralen van elektromagnetische golven. Elektromagnetische straling is een zichzelf in de ruimte voortplantende golf met een elektrische (E) en magnetische (H) component (Figuur 3.1). Deze componenten oscilleren loodrecht op elkaar en op hun voortplantingsrichting. Licht is een vorm van elektromagnetische straling. [28]

Figuur 3.1: Elektromagnetische golf

Elektromagnetische straling wordt opgewekt door het aanleggen van een wisselende spanning en de daarmee geassocieerde wisselende stroom. Maxwell bewees het golfkarakter van elektrische en magnetische velden en goot dit in de Maxwell vergelijkingen. Volgens deze theorie veroorzaakt een in de tijd variërend elektrisch veld, een magnetisch veld en omgekeerd.

17

Hoofdstuk 3. Textielantennes

18

Een belangrijk aspect van een golf is zijn frequentie (f [Hz]) en de daarmee verwante golflengte (λ [m]). Deze twee staan als volgt met elkaar in verband: λ.f = vw

(3.1)

Hierbij is vw de voortplantingssnelheid van de golf, welke in vacu¨ um gelijk is aan de lichtsnelheid 8 c = 3.10 m/s. Over het algemeen wordt elektromagnetische straling geclassificeerd op basis van de golflengte λ. Het elektromagnetisch spectrum wordt gegeven in Figuur 3.2.

Figuur 3.2: Elektromagnetisch spectrum


3.2

19

De eenheid Decibel dB

De eenheid decibel (dB) wordt gebruikt bij antennemetingen. Het is geen echte eenheid, maar eerder een manier om de verhouding tussen twee hoeveelheden te beschrijven. Met decibel kunnen we bijvoorbeeld een gemeten intensiteit vergelijken met een gekende referentie. De eenheid wordt gebruikt bij onder andere akoestiek, fysica en elektronica. Oorspronkelijk gebruikt voor vermogen- en intensiteitsverhoudingen, werd decibel uiteindelijk meer algemeen in engineering gebruikt. Zijn meest vertrouwde gebruik is voor de weergave van het geluidsniveau. De decibel is een dimensieloze eenheid en is zeer handig omdat hij toelaat zowel zeer grote al zeer kleine verhoudingen voor te stellen met een gemakkelijk hanteerbaar klein getal. Dit wordt bereikt door het gebruik van een logaritmische schaal. Het vermogen P (en analoog voor de intensiteit I) kan in decibel worden uitgedrukt met de standaardvergelijking: P (dB) = 10 log

P P0

(3.2)

Een dB waarde wordt enkel als een absolute meting aanzien, wanneer de referentiewaarde (equivalent met 0dB) duidelijk is aangegeven. Bijvoorbeeld, de antennewinst kan alleen gegeven worden ten opzichte van een referentieantenne, over het algemeen een perfect isotrope antenne (eenheid dBi). Indien geen referentie is aangeduid, is de meting in dB een relatieve meting. Bijvoorbeeld een vermogen van 1mW komt overeen met 0dBm.

3.3

Microstrip Patch Antennes

Antennes bestaan in allerlei vormen en groottes, waarbij de dipool antenne de meest voorkomende en gekende is. Microstrip patch antennes (MPA) zijn vlakke antennes en zijn daarom het meest geschikt om ge¨ıntegreerd te worden in kledij. [29, 30, 31] In Figuur 3.3 wordt een schematische voorstelling gegeven van een MPA. De MPA is een meerlagenstructuur waarbij zich een metalen antennevlak (of patch) aan de ene kant van een substraat bevindt en een geleidend grondvlak aan de andere kant. De stralende patch is over het algemeen gemaakt uit een kopervlak dat op het substraat wordt gedefinieerd via etsen. Voor deze scriptie maken we echter gebruik van geleidende textielmaterialen of elektrotextielen. De substraten zijn niet-geleidende materialen waarvan het elektromagnetisch gedrag in het frequentiedomein goed gekend moet zijn. Het geleidende grondvlak vermijdt dat de antenne uitstraalt in die richting. Voor draagbare antennes betekent dit dus dat de antenne van het lichaam weg straalt en dat slechts een kleine fractie straling door het menselijk lichaam wordt geabsorbeerd. Dit levert een hoge stralingsefficiëntie. In [32, 33, 34] wordt onderzoek gedaan naar de invloed van het menselijk lichaam en hoofd in de nabijheid van de antennes. Ook wordt de werking van de antennes onderzocht bij wisselende posities en lichaamsbewegingen [35].


20

Figuur 3.3: Een microstrip patch antenne

Dit specifieke type antenne heeft een aantal voordelen ten opzichte van andere antennes. Door hun laag profiel hebben MPA’s geen uitstekende en dus kwetsbare delen. De antennes zijn compact, goedkoop, hebben een klein gewicht en zijn eenvoudig te integreren met elektronica. MPA’s worden tegenwoordig gebruikt in allerlei draagbare draadloze apparaten zoals mobiele telefoons. Daarnaast laat dit soort antennes ook veel flexibiliteit toe bij het ontwerp, zoals vorm, voedingstechniek en locatie van het voedingspunt. Door al deze voordelen zijn de meeste textielantennes die tot nu toe voorgesteld zijn, microstrip patch antennes. Het nadeel van deze vlakke antennes is echter dat ze van nature uit smalbandig zijn. Hierdoor zijn specifieke technieken nodig om de brandbreedte (Sectie 3.9) te verbreden. Voor het doel van mijn onderzoek is dit echter niet zo’n probleem. Hier wordt later op teruggekomen.

3.3.1

Stralingsmechanisme

Door het inkoppelen van energie in een microstrip patch antenne, ontstaat een ladingsverdeling op het grondvlak en op de boven- en onderzijde van de patch. Deze ladingsverdeling zorgt voor het ontstaan van een sinuso¨ıdaal elektrisch veld onder de patch. Het elektrisch veld stopt niet abrupt op de randen van de patch, maar de velden reiken tot zekere hoogte verder. Deze uitbreidingen van het veld zijn gekend als de fringing fields of strooivelden en zorgen ervoor dat de antenne straalt (Figuur 3.4). De twee stralende randen van de patch zullen elkaar constructief versterken, terwijl de twee niet-stralende randen elkaar destructief versterken.


21

Figuur 3.4: Fringing fields zorgen voor uitstraling van de antenne

3.3.2

Voedingstechnieken

Een voedingsprobe koppelt elektromagnetische energie in en/of uit de patch, waardoor de antennes geëxciteerd worden, dit kan door gebruik te maken van verschillende methodes. Deze methodes worden onderverdeeld in drie categorieën: coaxiale voeding, coplanaire voeding en niet-coplanaire voeding. [36] Coaxiale Voeding Deze veelgebruikte techniek, afgebeeld in Figuur 3.3, is ook de voedingstechniek die ik toepas voor de antennes van deze scriptie. Hierbij wordt het vermogen direct ingekoppeld in de antennepatch via een coaxiale probe. De buitenste geleider wordt vastgesoldeerd aan het grondvlak. In het grondvlak wordt een uitsparing (slot) voorzien zodat geen kortsluiting optreedt tussen de binnenste en buitenste geleider. De positie van het voedingspunt wordt bepaald door de plaats waar de ingangsimpedantie voor een gegeven mode 50Ω bedraagt. Coplanaire voeding Het vermogen wordt ingekoppeld in de patch via een microstrip. Dit kan eenvoudig geproduceerd worden omdat patch en microstrip beiden op hetzelfde vlak liggen. Hier onderscheiden we randgekoppelde voeding, capacitief gekoppelde voeding en de insetvoedingstechniek. Niet-coplanaire voeding Deze voedingstechniek maakt gebruik van meerlagige substraten en koppelt het vermogen aan de stralende patch door gebruik te maken van elektromagnetische veldkoppeling. We bestuderen in dit werk geen meerlagige substraten en er wordt hier dan ook niet verder op ingegaan.


3.4

22

Antennekarakteristieken

In deze sectie wordt terminologie ingevoerd omtrent antennes [26], die gebruikt kan worden om de prestatie van een antenne te evalueren. We beschouwen een communicatiekanaal tussen twee antennes, een ontvangende en een uitzendende antenne. De verhouding van het ontvangen vermogen Pr en het door de zendantenne uitgezonden vermogen Pt,max , wordt gegeven door de Friisformule Pr Pt,max

i i = Mr Gr (−ui )L−1 0,rt (R)Qrt (u )Gt (u )Mt .

(3.3)

Hierbij zijn Mr en Gr de mismatchfactor en de antennewinst van de ontvangstantenne, Mt en Gt de mismatchfactor en de antennewinst van de zendantenne, Qrt de polarisatiefactor en L0,rt het padverlies. Deze transmissiekarakteristieken bepalen de performantie van de communicatielink.

3.4.1

De reflectieco¨ effici¨ ent

Een antenne ontworpen om uit te stralen in de 2.45GHz ISM band, straalt zijn vermogen uit in het frequentiebereik van 2.4GHz tot 2.4835GHz. De antenne moet dus een minimum bandbreedte hebben van 83.5M Hz. Dit kan gemeten worden aan de hand van de reflectiecoëfficiënt S11 , welke ook strooiparameter of return loss (|S11 |2 ) wordt genoemd. [37] Deze coëfficiënt geeft informatie over het gedrag van een apparaat wanneer deze is verbonden met een radiofrequentie (RF)-bron door middel van een transmissielijn met een karakteristieke impedantie van 50Ω. Een deel van de invallende golf (a1 ) zal worden gereflecteerd (b1 ) of omgezet worden in verliezen (Ploss ). In het geval van een antenne, zal ook een deel worden uitgestraald (Prad ) (Figuur 5.32).

Figuur 3.5: Een device met één poortvlak

De reflectiecoëfficiënt die ons informatie levert over de prestatie van de antenne, wordt gedefinieerd als de verhouding van |b1 |2 en |a1 |2 : |S11 |2 =

|b1 |2 . |a1 |2

(3.4)

We zeggen dat een antenne werkzaam is bij alle frequenties waarvoor geldt dat: 10log|S11 |2 < −10dB.

(3.5)


23

Dit betekent dat niet meer dan 10% van het inkomend vermogen gereflecteerd wordt door de antenne. Dus wordt ten minste 90% uitgestraald indien verliezen niet in rekening worden gebracht. Een antenne die hieraan voldoet, kan een antenne van goede kwaliteit worden genoemd. De reflectiecoëfficiënt van een antenne wordt gemeten met een Vector Network Analyzer (VNA). Analoog kunnen we ook een transmissiecoëfficiënt definiëren als het aandeel van het inkomend vermogen dat getransfereerd wordt van poort 1 naar poort 2: |S21 |2 =

|b2 |2 |a1 |2

(3.6)

Figuur 3.6: Een device met twee poortvlakken

3.4.2

Mismatchfactor

Wanneer elektromagnetische golven zich voortplanten door de verschillende delen van een antennesysteem, kunnen verschillen in impedantie voorkomen. Deze vertegenwoordigen de mismatchfactor. Bij elke interface zal een fractie van de energie teruggekaatst worden naar de bron. In de ideale situatie waar geen energie wordt gereflecteerd, is Mt = 1. Wanneer de antenne gemeten wordt met behulp van een VNA, wordt de mismatchfactor uitgedrukt in termen van de reflectiecoëfficiënt: Mt = 1 − |S11 |2

3.4.3

(3.7)

Padverlies

Het spreekt voor zich dat het vermogen dat door de ontvangstantenne wordt opgevangen, zal dalen naarmate de afstand tussen de zenden ontvangstantenne groter wordt. Dit fenomeen wordt beschreven in het padverlies: 4πR n L0,rt (R) = (3.8) λ Hierbij is R de afstand tot de bron en n is een exponent die varieert met de omgeving waarin de antennes communiceren. In de vrije ruimte is n = 2, maar in een reële omgeving met bomen,


24

gebouwen en bewegende voertuigen, is n groter dan 2. In een stedelijke omgeving is n typisch 3 tot 5 en in een indoor omgeving kan n oplopen tot 6.

3.4.4

Polarisatie

Een belangrijke eigenschap van een antenne is zijn polarisatie, aangezien een zenden ontvangstantenne moeten gealigneerd zijn volgens hun polarisaties. De polarisatie van een antenne is de polarisatie van de golf die uitgestraald wordt door de antenne. Elektromagnetische vlakke golven hebben een elektrische en magnetische component, loodrecht op hun voorplantingsrichting (Figuur 3.1). De polarisatie wordt beschreven aan de hand van de oriëntatie van de elektrische veldvector E. Deze vector kan worden ontbonden in twee componenten Ex en Ey in het vlak loodrecht op de propagatierichting. De geometrische figuur die wordt bekomen door de beweging van de elektrische veldvector uit te tekenen in de tijd, is een ellips (Figuur 3.7(a)). Onder bepaalde omstandigheden, kan deze ellips samenklappen tot een rechte lijn die verticaal, horizontaal of schuin kan zijn. In dit geval spreekt men van lineaire polarisatie (Figuur 3.7(b)). Een ander extreem geval doet zich voor wanneer de twee componenten Ex en Ey een zelfde grootte hebben en 90◦ in fase verschillen. Dan wordt de ellips een cirkel en spreekt men van circulaire polarisatie (Figuur 3.7(c)). Lineaire en circulaire polarisatie zijn dus speciale gevallen van elliptische polarisatie, afhankelijk van de verhouding van de grootte van de elektrische veldcomponenten en van hun fasehoek.

(a) Elliptische Polarisatie (b) Lineaire Polarisatie

Figuur 3.7: Polarisatie

(c) Circulaire Polarisatie


25

Ook wat betreft rotatierichting wordt een onderscheid gemaakt; we kennen linkshandige en rechtshandige circulaire polarisatie. Om de polarisatierichting te beschrijven, gebruiken we ’handregels’. De richting is gedefinieerd als de hand die men moet gebruiken opdat de duim in de propagatierichting zou wijzen en de andere vingers van dezelfde hand de beweging van de elektrische veldvector zouden volgen. In Figuur 3.8 wordt dit afgebeeld voor rechtshandige polarisatie, waar de duim van de rechterhand in de propagatierichting wijst en de rotatie in wijzerzin verloopt wanneer we kijken in de voortplantingsrichting.

Figuur 3.8: Rechtshandige polarisatie

De polarisatie zal in grote mate de kwaliteit van de communicatielink bepalen. Optimale transmissie zal bereikt worden wanneer de polarisatiefactor Qrt = 1 en dit kan enkel wanneer de twee antennes identiek en perfect gealigneerd zijn. Dit betekent dat de stralingsbundel perfect gealignieerd is met de ontvangantenne. Een polarisatiefactor van nul, wil zeggen dat er totaal geen signaal wordt ontvangen.

3.4.5

Antennewinst

De antennewinst drukt de relatie uit tussen het ontvangen vermogen en het vermogen dat zou worden ontvangen in een referentiescenario waarbij de zendantenne is vervangen door een ideale, verliesloze en omnidirectionele antenne. De antennewinst wordt vaak uitgedrukt in dBi, wat betekent dat de referentieantenne isotroop is. Deze antennekarakteristiek kan worden berekend met behulp van de Friisformule (3.3). We beschouwen het geval waarbij twee identieke antennes (voor zenden en ontvangen) worden gebruikt om de antennewinst te bepalen. Dan kan (3.3) worden vereenvoudigd omdat Mt = Mr = Ma en Gt = Gr = Ga . Daarnaast weten we dat de verhouding van het ontvangen vermogen tot het maximale vermogen wordt gegeven door |S21 |2 en de mismatchfactor wordt gegeven door 1 − |S11 |2 . Wanneer de twee antennes bovendien perfect gealignieerd zijn, is de polarisatiefactor Qrt = 1. De Friisformule wordt dan λ 2 2 2 2 . (3.9) |S21 | = Ma Ga 4πR


26

Wanneer we dit omzetten naar de notatie met dB (10 log x), vinden we λ 2 . 10 log(|S21 | ) = 20 log Ma + 20 log Ga + 20 log 4πR Waaruit een formule volgt waarmee we de antennewinst kunnen bepalen: λ 2 2 20 log Ga = 10 log(|S21 | ) − 20 log(1 − |S11 | ) − 20 log 4πR

(3.10)

(3.11)

Hierin is R de afstand tussen de identieke zenden ontvangstantenne in de vrije ruimte.

3.4.6

Antenne¨ effici¨ entie

De antenneëfficiëntie drukt de verhouding uit van het totaal vermogen uitgestraald door de antenne tot het vermogen geleverd aan de antenne in %. Niet al het vermogen dat aan de antenne is geleverd, wordt door de antenne uitgestraald, een deel ervan wordt gedissipeerd in de vorm van verliezen. Dissipatie kan optreden ten gevolge van geleidingsverliezen in metallische onderdelen van de antenne of als diëlektrische verliezen in de diëlektrische delen van de antenne. Het is echter zeer moeilijk een onderscheid te maken tussen deze beide effecten in een reële antenne. et [%] =

3.4.7

Pradiated 100 Pinput

(3.12)

Bandbreedte (BW)

Een antenne wordt typisch ontworpen om uit te zenden bij een bepaalde frequentie, de resonantiefrequentie genaamd. De antenne zal echter werkzaam zijn over een breder bereik van frequenties gecentreerd rond de resonantiefrequentie. Dit frequentiebereik wordt de bandbreedte genoemd en dit wordt voorgesteld in Figuur 3.9. Het bereik wordt dus afgebakend door de frequenties waarvoor (3.5) geldig is.


27

Figuur 3.9: Bandbreedte

Bij het ontwerpen van een antenne starten we met het vastleggen van het domein waarin de antenne werkzaam moet zijn. Voor deze scriptie, wordt de 2.45GHz ISM-band gekozen met een bandbreedte van 83.5M Hz. Deze band was oorspronkelijk voorzien voor het niet-commercieel gebruik van elektromagnetische golven voor industriële, wetenschappelijke en medische (Industrial, Scientific and Medical (ISM)) toepassingen. In de laatste jaren gebruikt men de ISM-band echter ook voor licentie-vrije communicatietoepassingen zoals WLAN en Bluetooth.

Deel II

Onderzoek

28

Hoofdstuk 4

Ontwerp en realisatie textielantennes Het eerste deel van het onderzoek naar de invloed van de vochtigheid op de werking van textielantennes is uiteraard het vervaardigen van deze antennes. Dit vereist een gepast computerondersteund antenneontwerp via het programma Advanced Design System of ADS. In dit hoofdstuk wordt eerst de algemene ontwerpen optimalisatiemethode besproken, nadien volgt een bespreking van de gebruikte materialen met hun respectievelijke eigenschappen. Een overzicht van de verschillende gerealiseerde antennes per substraat sluit dit hoofdstuk af.

4.1

Methode Ontwerp en Optimalisatie

Voor het simuleren en optimaliseren van de microstrip patch antennes, wordt gebruik gemaakt van het CAD framework Agilent Advanced Design System (ADS), met daarin de EM veldsimulator ADS Momentum, die ontstaan is uit het Microwave Planar Structure Simulator (MiPSS)project van de Vakgroep Informatietechnologie. Hierbij wordt de antenne doorgerekend met Momentum-veldsimulaties, waarbij de S-parameters aan de poorten van de structuur worden berekend via de momentenmethode (’Method of Moments’ of MoM) en die worden ingebracht in circuitsimulaties, waarin de antenne als component van een elektronisch circuit wordt opgenomen. De volgende benaderingen worden door de simulator ingevoerd: • Het is enkel mogelijk om 2.5-dimensionale structuren te tekenen en optimaliseren. 2dimensionaal wijst erop dat planaire circuits kunnen worden getekend. Een meerlagenstructuur is ook mogelijk maar deze kan echter niet in 3D worden getekend. Met behulp van via’s kunnen de verschillende lagen wel met elkaar worden verbonden (0.5D). • Alle materialen zijn homogeen. • De grondvlakken en substraatlagen zijn oneindig uitgestrekt. • De geleidende vlakken zijn perfect geleidend, behalve wanneer verliezen in metallische structuren in rekening worden gebracht via een oppervlakte-impedantie. Bovendien worden metallisaties oneindig dun verondersteld en bevinden ze zich op het scheidingsvlak tussen twee lagen.

29

Hoofdstuk 4. Ontwerp en realisatie textielantennes

30

• Op de via’s worden enkel verticale stromen in rekening gebracht.

4.1.1

Optimalisatieprocedure in ADS

De eerste stap is het tekenen in de layout-omgeving van de topologie van het design dat men wenst te optimaliseren. Dit design is het vertrekpunt en noemt men het nominale design. Nu dient er aan het programma kenbaar gemaakt te worden, welke parameters moeten geoptimaliseerd worden. Dit gebeurt door aan elke parameter een naam te geven, een nominale waarde en een geperturbeerde waarde. Na dit te doen voor een bepaalde parameter, wordt een nieuw layout window geopend dat een kopie is van het nominale design. Op dit design geeft men aan welke coördinaten moeten worden aangepast wanneer deze parameter verandert. Dit doen we door de parameter van zijn nominale waarde te wijzigen naar de geperturbeerde waarde. Men kan nu optimaliseren vanuit dit layout-design. Na enkele iteraties, waarvan je het maximaal aantal kan aangeven, wordt het resultaat gekozen dat het beste aanleunt bij de vooropgestelde doelfunctie(s). Deze manier van optimaliseren biedt slechts de keuze uit een beperkt aantal optimalisatie-algoritmes. In Figuur 4.1 zien we het nominale design van een antenne in de layout-omgeving. We zien hier inderdaad een vlakke weergave van de antenne, dus geen 3Dvoorstelling.

Figuur 4.1: Het nominale design in het layout window

Men kan echter ook simuleren en optimaliseren vanuit het schematic window, waarbij circuitsimulaties worden gebruikt. Men kan in het layout window een component maken van het geparametriseerde design, waarbij deze kan worden aangesloten op andere componenten via de toegangspoorten. Deze component wordt in het schematic window ingevoerd en per parameter kan worden aangegeven binnen welk interval deze mag variëren en of die al dan niet moet geoptimaliseerd worden. Om een simulatie te verkrijgen van de S-parameters, dient een blok ’S-parameters’ ingevoerd te worden, waarin starten stopfrequentie van de simulaties moeten worden aangeduid. Via de blokken ’Parameter Sweep’ kan men een bepaalde parameter laten


31

variëren in een vooropgesteld interval om zo de impact van deze parameter te kunnen inschatten. Vaak kan op basis van deze informatie al een zeer goed resultaat bekomen worden. Zeker voor de keuze van de lengte van de patch vormt dit de aangewezen aanpak. Dit blijkt uit het volgende voorbeeld, waarbij tijdens het optimaliseren van een antenne met substraat FC1001, L gevarieerd werd van 42mm tot 48mm. In Figuur 4.2 is duidelijk te zien dat de resonantiefrequentie afneemt wanneer de dimensie L groter wordt. Bij L = 45mm straalt de antenne bij 2.45GHz, wat nodig is in deze scriptie. 0

-5

|S11| [dB]

-10

-15

-20

L = 42mm L = 43mm L = 44mm L = 45mm L = 46mm L = 47mm L = 48mm

-25

-30 2

2.2

2.4 2.6 Frequentie [GHz]

2.8

3

Figuur 4.2: Parameter Sweep voor L

Om een optimalisatie los te laten op het eerste ontwerp, moeten we uiteraard aangeven wat ’optimaal’ is. Dit kan via het blok ’Goal’. Voor mijn onderzoek is het noodzakelijk een goed gedefinieerde en dus diepe piek te bekomen, liefst in de buurt van 2.45GHz. Daarom wordt als doel opgegeven een magnitude te bekomen van maximaal −20dB in het interval [2.449GHz − 2.451GHz]. Het optimalisatie-algoritme kan worden gekozen in het blok ’Optim’. In dit onderzoek is gebruik gemaakt van twee algoritmes, namelijk het genetisch algoritme en het gradiënt-gebaseerde algoritme. Het genetisch algoritme steunt op de evolutietheorie van Darwin, waarbij de grootte van een ’populatie’ van designs wordt verminderd op basis van ”survival of the fittest”. Door recombineren en aanpassen van oplossingen, wordt de populatie terug vergroot tot zijn oorspronkelijke grootte. Het algoritme kan bijvoorbeeld stoppen na een vast aantal iteraties of wanneer de afwijking van de doelfunctie miniem is. Het gradiënt-gebaseerde algoritme kan worden gebruikt wanneer enkel plaatselijk dient geöptimaliseerd te worden en de oplossing reeds in de buurt ligt van de beoogde doelfunctie. Dit werd toegepast wanneer reeds met andere technieken een goed resultaat verkregen was.


32

In Figuur 4.3 is het schematic window weergegeven dat is samengesteld om de optimalisaties uit te voeren. Hierin zijn de verschillende blokken te zien die hierboven beschreven staan.

Figuur 4.3: Schematic Window

Er zijn nog enkele andere technieken die het mogelijk maken een bijna optimale antenne te bekomen, zonder een optimalisatie-algoritme los te laten op het ontwerp. Eerst en vooral is er de tool LineCalc in het schematic window. Met deze tool kunnen we voor een bepaald substraat de halve golflengte λ/2 schatten. Aangezien deze overeenkomt met de lengte van de patch waarbij resonantie optreedt, krijgen we op die manier al een goed idee van de grootte-orde van L. Een ander resultaat dat volgt uit deze tool, is de effectieve relatieve permittiviteit van het substraat, ǫr,ef f , een parameter die de resonantiefrequentie bepaalt. Deze waarde bevindt zich tussen de ǫr van lucht (ǫr = 1) en deze van het substraat. De parameter brengt in rekening dat de strooivelden die voor uitstraling zorgen, zich slechts gedeeltelijk in het substraat bevinden en voor een gedeelte in de lucht lopen. Met de kennis van deze parameter kunnen we de insetafstand xf bepalen [36]: L xf = √ 2 ǫr,ef f

(4.1)

Hierbij is L de lengte van de patch [mm]. Deze insetafstand is bepaald om een goede impedantieaanpassing te bekomen bij antennes met een insetvoedingstechniek. Hoewel de antennes


33

in dit onderzoek allen rechthoekige antennes zijn met een coaxiale voedingstechniek, heeft deze afstand toch betekenis. We kunnen deze afstand beschouwen als de voedingspuntlocatie ten opzichte van de stralende rand. Naast de methode van parameter sweep, is het ook mogelijk om via schaling de gewenste lengte van de patch te benaderen. Een formule voor schaling wordt gegeven in [36]: Lg = Lh

fh fg

(4.2)

Hierin is Lg de gewenste lengte [mm] en Lh de huidige lengte van de patch [mm]; fg is de gewenste resonantiefrequentie [GHz] en fh de huidige resonantiefrequentie [GHz]. Wanneer we dus een verschuiving van de resonantiefrequentie willen, passen we de lengte aan via deze formule. De andere dimensies van het design moeten evenredig meeveranderen.

4.1.2

Bepalen van de eigenschappen van textielmaterialen

Om de antennes te ontwerpen, moeten we beschikken over enkele materiaalparameters zoals dikte, permittiviteit en verliestangens. Bij aankoop van een stuk textiel is deze informatie meestal niet voorhanden. Hieronder volgt een beschrijving van hoe de textielmaterialen kunnen worden gekarakteriseerd. 4.1.2.1

Dikte

Een eerste methode om de dikte van een textielsubstraat te meten is door gebruik te maken van de schuifpasser. Het probleem hierbij is dat sommige stoffen samendrukbaar zijn waardoor de meting afhangt van hoe sterk je het textiel samendrukt. Door gebruik te maken van de norm ISO 1765 kan dit probleem vermeden worden. Deze standaard definieert de dikte van een stuk textiel als de afstand tussen een referentievlak waarop het textiel zich bevindt en een parallelle drukplaat die een vastgelegde druk uitoefent op het textiel. Voor deze scriptie werd gebruik gemaakt van het toestel Digimatic Indicator van Mitutoyo met een meetnauwkeurigheid van 0.01mm. Een aantal metingen dient te gebeuren om een betrouwbaar resultaat te verkrijgen. 4.1.2.2

Permittiviteit

De relatieve permittiviteit ǫr bevindt zich voor de meest courante textielmaterialen tussen 1 en 2. Zoals voordien reeds vermeld, dient er een onderscheid gemaakt te worden tussen de relatieve permittiviteit ǫr , een zuivere materiaalparameter, en de effectieve relatieve permittiviteit ǫr,ef f . Deze brengt in rekening dat de strooivelden die voor uitstraling zorgen, zich slechts gedeeltelijk in het substraat bevinden.


34

De technieken voor het bepalen van deze parameter worden opgedeeld in resonante en nietresonante methodes. Niet-resonante methodes zijn gebaseerd op het meten van transmissie- en reflectiecoëffiënten en zijn over het algemeen minder nauwkeurig dan de resonante methodes. In [5] wordt een uitvoerige beschrijving gegeven van de Through line methode, de caviteitsperturbatiemethode en van een algoritme op basis van de resonantiefrequentie van prototype antennes. Deze laatste methode werd voor deze scriptie gebruikt en wordt hier kort toegelicht. De resonantiefrequentie van een microstrip patch antenne wordt bepaald door de lengte L van de patch, de breedte heeft quasi geen invloed: fr =

c √ 2L ǫr,ef f

(4.3)

In deze formule is c de lichtsnelheid. Met behulp van deze formule kunnen we de relatieve permittiviteit van een substraat bepalen. Om dit te doen simuleert men eerst een prototype van een antenne met een willekeurige ǫr , liefst in de buurt van de te bekomen ǫr . We zorgen voor een uitgesproken resonantiepiek bij een bepaalde frequentie fr . Met behulp van LineCalc berekenen we de effectieve relatieve permittiviteit ǫr,ef f . Vervolgens maakt men het prototype en meet men de reflectiecoëfficiënt in functie van de frequentie met behulp van de Vector Network Analyzer (VNA). Uit de verschuiving van de resonantiefrequentie halen we de fout op de effectieve relatieve permittiviteit. Uit (4.3) vinden we dat 2 c (4.4) ǫr,ef f = 2f L en dus dat dǫr,ef f = −

c2 1 df. 2L2 f 3

(4.5)

Hieruit volgt dus dat wanneer df positief is, dǫr,ef f negatief is. Dit betekent dat wanneer de gemeten resonantiefrequentie groter is dan de gesimuleerde, de werkelijke ǫr,ef f kleiner is dan diegene gebruikt bij de simulaties. Met behulp van LineCalc kunnen we dit resultaat omrekenen naar de fout op de relatieve permittiviteit ǫr . We passen ǫr aan tot de gemeten en gesimuleerde resonantiefrequentie perfect samenvallen. 4.1.2.3

Verliestangens

Verliezen in een microstrip patch antenne doen zich voor onder drie mogelijke vormen: geleidingsverliezen, diëlektrische verliezen en excitatie van oppervlaktegolven. De verliestangens tan δ is een maat voor de eerste twee vormen van verlies, en wordt uitgedrukt als tan δ = −

ǫI . ǫR

(4.6)

Hierin zijn ǫI en ǫR de imaginaire en reële component van de relatieve permittiviteit. Het bepalen van de verliestangens gebeurt op een analoge wijze als deze besproken voor de permittiviteit,


35

namelijk via een aantal iteraties. Een antenne wordt gesimuleerd met een bepaalde waarde voor de verliestangens. Deze antenne wordt vervolgens gerealiseerd en uitgemeten. Bij een relatief lage waarde voor de verliestangens, wijst een brede, minder diepe resonantiepiek op de aanwezigheid van verliezen. Uitgaande van de meting wordt een nieuwe waarde voor tan δ vooropgesteld en dit herhaalt zich tot simulatie en meting goed overeenstemmen.

4.2 4.2.1

Materialen Elektrotextielen

Voor het grondvlak en de patch zijn geleidende materialen nodig. We maken hiervoor gebruik van geleidende textielmaterialen, elektrotextielen of e-textiles genaamd. E-textielen die commercieel beschikbaar zijn, zijn bijvoorbeeld FlecTronr , ShieldIt™ en Zelt. In [38] en [39] worden nog enkele andere geleidende textielmaterialen besproken met hun toepassing voor antennes. Voor deze thesis maken we gebruik van FlecTronr , een product van Laird Technologies. [40] FlecTronr is een hoogwaardig ripstop nylon dat geleidend is door het elektroless platen met een koper-elektrolytoplossing. Een ripstop weefsel is scheurremmend en is dus zodanig geweven dat een scheur zich niet snel kan verder zetten. Deze eigenschap kan verkregen worden door dikkere draden door het materiaal te weven. De oppervlakteresistiviteit van FlecTronr bedraagt minder dan 1Ω/sq. Het materiaal kan gebruikt worden bij temperaturen van -40 tot 210℃. Dit groot temperatuursbereik maakt het mogelijk het materiaal te solderen zonder er gaatjes in te branden. ShieldIt™ is een nylon weefsel dat geplated wordt met nikkel en koper. Daarna wordt één zijde met een geleidende acryllaag gecoat en op de andere zijde komt een adhesieve lijmlaag met een beschermlaag uit polyethyleen voor vochtbestendigheid. ShieldIt™ behoudt een stabiele vorm wat een voordeel biedt ten opzichte van FlecTronr . Hier leidt een kleine onoplettendheid bij het verlijmen al snel tot shear waardoor een parallellogram verkregen wordt in plaats van een rechthoek. Dit kan de antennekarakteristieken drastisch veranderen. De moeilijkere soldeerbaarheid van ShieldIt™ is dan weer een belangrijk nadeel. Het derde e-textiel Zelt, is eveneens een nylon weefsel geplated met koper en tin. Deze stof heeft ook een adhesieve ruglaag, waarmee het gemakkelijk aan het substraat kan worden gestreken.

4.2.2

Verlijming

Voor de verlijming van het grondvlak, het substraat en de patch strijken we een adhesieve lijmlaag tussen de verschillende lagen. Op deze wijze zijn de lagen zeer uniform verlijmd zonder luchtopeningen tussen patch, substraat en grondvlak. De opwarming met het strijkijzer is


36

eenvoudig en het is tevens niet nodig nog extra te naaien. Uit [5] blijkt dat deze manier van verlijming een goede stabiliteit van de antennekarakteristieken waarborgt.

4.2.3 4.2.3.1

Substraten APB1

Het eerste substraat dat gebruikt is voor het realiseren van textielantennes voor dit onderzoek is APB1, een materiaal van Belgische firma Sioen. Het werd eerder in het ProeTex -project gebruikt en is een weefsel dat voor 50% uit polyamide (PA) of nylon bestaat en 50 % uit katoen. In dit weefsel zijn dus zowel synthetische (PA) als natuurlijke (katoen) vezels aanwezig. [41, 42] De synthetische polyamides zijn één van de belangrijkste textielvezelklassen waarbij amidegroepen steeds opnieuw voorkomen in de polymere hoofdketen van het vezelvormend polymeer. In Figuur 4.4 wordt de algemene structuurformule van een polyamide weergegeven. PA-vezels absorberen vocht slechts in geringe mate en hebben over het algemeen een vochttoeslag van 4 − 4.5%.

Figuur 4.4: Structuurformule Nylon

Katoen is een plantaardige vezel met als basis cellulose dat ontstaat door condensatie van glucosemoleculen die door de plant gevormd worden uit water en CO2 . De katoenvezel zet tijdens zijn ontwikkeling uit onder invloed van de druk van de vloeibare voedingsstoffen en het protoplasma dat erin zit. Bij het drogen, verdampt de vloeistof en blijft er in het centrum een leeg kanaal over in de lengterichting, het lumen genaamd. Door capillaire werking is dit lege volume in staat water te absorberen. Naast dit lumen is er nog een hoeveelheid lege ruimte als gevolg van de porositeit van de cellulosewanden. Ook deze kunnen nog grote hoeveelheden water absorberen. In Figuur 4.5 is de structuurformule weergegeven van cellulose.

Figuur 4.5: Structuurformule Cellulose

In Tabel 4.1 worden de beginwaarden van de karakteristieken gegeven voor het antenne-ontwerp. De dikte werd gemeten zoals in Sectie 4.1.2.1 is beschreven, de relatieve permittiviteit en de


37

verliestangens zijn geschat op basis van een vorige karakterisatie. De schatting voor ǫr blijkt later niet goed te zijn en wordt met de in Sectie 4.1.2.2 beschreven techniek aangepast. Dikte h [mm]

0.4

ǫr

1.6

tan δ

0.02

Tabel 4.1: Karakteristieken APB1

4.2.3.2

FC1001

Een volgend antennesubstraat is FC1001 van de Franse firma Sofileta. Dit weefsel bestaat uit een mengsel van polyaramide (PAr)-vezels (75% meta-aramide en 23% para-aramide) met 2% antistatische koolstof-vezels. Polyaramides zijn aromatische polyamides. In Figuur 4.4 is de algemene structuurformule van een polyamide weergegeven en in Figuur 4.6 zijn de R- en R’groep vervangen door aromatische groepen. In deze figuur zijn de aromatische ringen gebonden op de para-plaatsen. Bovendien worden waterstofbruggen getoond die gevormd kunnen worden tussen de verschillende moleculen. [43]

Figuur 4.6: Structuurformule Aromatisch Polyamide

Door hun hoge treksterkte, worden koolstofvezels voornamelijk gebruikt als versterkingsmateriaal. Bovendien zijn ze elastisch tot breuk, bestand tegen hoge temperaturen en kennen ze nagenoeg geen invloed van de vochtigheid. De vezels zijn tevens inert voor chemische producten, veroudering en zonlicht. In FC1001 werd een kleine fractie koolstofvezels toegevoegd om het materiaal antistatische eigenschappen te geven. Koolstofvezels zijn immers elektrisch geleidend en deze eigenschap maakt dit weefsel bijzonder als antennesubstraat. Tabel 4.2 geeft de waarden van de dikte, permittiviteit en verliestangens zoals die gekozen werden om antennes te ontwerpen.


38

Dikte h [mm]

0.417

ǫr

1.75

tan δ

0.015

Tabel 4.2: Karakteristieken FC1001

4.2.3.3

Fleece

Fleece is een synthetisch materiaal bestaande uit polyethyleentereftalaat (PET), in de volksmond polyester genoemd. In Figuur 4.7 is de structuurformule van PET weergegeven.

Figuur 4.7: Structuurformule Polyethyleentereftalaat

Fleece-textiel heeft waterafstotende eigenschappen. We verwachten daarom bij fleece geen grote impact van de vochtigheidsgraad. De weefselstructuur (Figuur 4.8) van fleece is een pile structuur, waarbij korte haartjes recht op het weefsel staan. Deze structuur maakt de stof luchtig waardoor de relatieve permittiviteit van de stof dicht bij de relatieve permittiviteit van lucht (ǫr =1) aanleunt. Deze structuur zorgt er ook voor dat fleece zacht aanvoelt. Door de lage waterinhoud zijn er weinig diëlektrische verliezen in het materiaal aanwezig, zodat voor de verliestangens een lage waarde wordt gekozen.

Figuur 4.8: Weefselstructuur Fleece

In Tabel 4.3 worden de karakteristieken gegeven die gekozen zijn als beginwaarden bij het antenne-ontwerp. Fleece is een zeer samendrukbaar materiaal waardoor de meting met de schuifpasser een ander resultaat oplevert dan deze uitgevoerd volgens norm ISO 1765. Toch leunt het resultaat bekomen met de schuifpasser dichter aan bij een meting na strijken dan deze volgens de norm. Het strijken is nodig om een antenne te bekomen, zodat hier gekozen is voor de waarde gemeten met de schuifpasser. Dikte h [mm]

2.06

ǫr

1.15

tan δ

0

Tabel 4.3: Karakteristieken Fleece


4.2.3.4

39

Katvlas

Zoals hiervoor uitgelegd, kunnen natuurlijke textielmaterialen over het algemeen meer vocht vasthouden. Voor dit onderzoek is het dus interessant ook volledig natuurlijke materialen als antennesubstraat te kiezen. Katvlas is de naam die ik zelf gegeven heb aan een weefsel met in de inslagrichting katoenvezels en in de kettingrichting vlasvezels of linnen. Beiden zijn dit natuurlijke vezels van plantaardige oorsprong die dus bestaan uit cellulose (Figuur 4.5). Naast katoen heeft ook vlas een centraal lumen dat instaat voor vochtabsorptie. In Tabel 4.4 worden de substraateigenschappen gegeven van Katvlas. Dikte h [mm]

0.858

ǫr

1.70

tan δ

0.02

Tabel 4.4: Karakteristieken Katvlas

4.2.3.5

Jeans

Dit gekende textielmateriaal bestaat uitsluitend uit katoen. In Tabel 4.5 worden de eigenschappen gegeven van Jeans voor antenne-ontwerp. Dikte h [mm]

1.09

ǫr

1.75

tan δ

0.02

Tabel 4.5: Karakteristieken Jeans

4.2.3.6

Urecom

Een volgende reeks antennesubstraten zijn de schuimen. Urecom is een gelig polyurethaan (PU) schuim van de firma Recticel. De structuurformule van PU is weergegeven in Figuur 4.9. De vochttoeslag schommelt voor PU-vezels/materiaal tussen 1 en 2.3%.

Figuur 4.9: Structuurformule Polyurethaan

In Tabel 4.6 worden de eigenschappen gegeven van deze mousse die ik gebruikt heb voor het ontwerp van de antennes. De dikte werd bij levering van het textielmateriaal meegegeven door de leverancier. Door de celstructuur van een schuim verwachten we een lagere waterinhoud en dus minder verliezen. Daarom kiezen we voor een schuim een lagere verliestangens.


40

Dikte h [mm]

3.5

ǫr

1.5

tan δ

0.001

Tabel 4.6: Karakteristieken Urecom

4.2.3.7

Azzuri Mousse

Azzuri Mousse is een schuim bestaande uit neopreen, polyvinylchloride (PVC) en acrylonitrile butadieen rubber (NBR). Deze mousse krijgt de naam Ensolite van de firma Rubberlite. Dit is het materiaal dat in een brandweerpak wordt gebruikt. Neopreen is een synthetisch rubber of elastomeer dat verkregen wordt door de polymerisatie van het dieen chloropreen. De aanwezigheid van chlooratomen maakt het chemisch inerter dan natuurrubber en het is tevens sterker klevend. PVC is een veelvuldig toegepaste thermoplast die ontstaat na polymerisatie van het monomeer vinylchloride. NBR tenslotte is eveneens een synthetisch rubber dat ontstaan is uit de copolymerisatie van acrylonitrile (ACN) en butadieen. Het materiaal Ensolite heeft een uniforme fijne celstructuur en een goede dimensionele stabiliteit. Het kent ook een goed herstel na indrukken. De Azzuri Mousse kan gebruikt worden in een temperatuurinterval van -40 tot 93 ℃. Tabel 4.7 geeft de karakteristieken van deze mousse die gebruikt zijn voor het ontwerp van de antennes. Dikte h [mm] ǫr tan δ

3.625 1.2 0.002

Tabel 4.7: Karakteristieken Azzuri Mousse


4.3 4.3.1

41

Gerealiseerde antennes APB1

De allereerste antennes werden ontworpen en geoptimaliseerd in Momentum. Een eerste antenne heeft de afmetingen weergegeven in Tabel 4.8. Hierbij staat L voor de lengte van de patch, W voor de halve breedte en x voor de locatie van de voeding, voorheen aangeduid als xf . L [mm]

49

W [mm]

13

x [mm]

20

Tabel 4.8: Afmetingen prototypes 1 en 2

In Figuur 4.10 wordt het resultaat van de simulatie weergegeven en de metingen van twee prototypes met deze afmetingen. We zien dat er een verschuiving van de resonantiefrequentie van de prototypes is opgetreden naar links ten opzichte van de simulatie. Deze verschuiving kunnen we kwantificeren in de vorm van een fout op de gekozen waarde van ǫr in Tabel 4.1. Deze fout kunnen we bepalen met behulp van (4.5). Voor prototype 1 vinden we dǫr = 0.41, voor prototype 2, dǫr = 0.38. Voor beide prototypes bekomen we dus een fout van ongeveer 0.4, waaruit we dus als nieuwe materiaalkarakteristiek ǫr = 2 kunnen kiezen. 0 -5

|S11| [dB]

-10 -15 -20 -25 -30

Simulatie Prototype 1 Prototype 2

-35 2

2.2

2.4

2.6

2.8

Frequentie [GHz]

Figuur 4.10: Simulatie en prototypes 1 en 2 APB1

3


42

Het is tevens onmogelijk om met de hand exact de geoptimaliseerde afmetingen van de antenne te knippen. Naast een fout op ǫr , is er dus ook een fout op de afmetingen van de prototypes. Wanneer we de prototypes nameten met de schuifpasser, vinden we inderdaad licht afwijkende afmetingen. Dit wordt weergegeven in Tabel 4.9. Prototype 1

Prototype 2

L [mm]

49.83

L [mm]

48.68

W [mm]

13.12

W [mm]

13.37

h [mm]

0.66

h [mm]

0.67

Tabel 4.9: Exacte afmetingen prototypes 1 en 2 APB1

In Figuur 4.11 worden drie grafieken weergegeven: ’Simulatie prototype 1’ toont de simulatie in Momentum van het eerste prototype met de exacte afmetingen uit Tabel 4.9. De tweede curve toont de simulatie van het prototype met diezelfde afmetingen maar met als substraat een nieuw gedefinieerd substraat met de nieuwe ǫr . Als laatste geeft ’Prototype 1’ de meting van het prototype weer. We zien dat de de tweede simulatie, waarbij de nieuwe substraatparameter gebruikt wordt, beter bij de werkelijkheid aanleunt dan de eerste. In Figuur 4.12 zien we hetzelfde voor prototype 2 waaruit dezelfde conclusies worden getrokken.


43

0 -2

|S11| [dB]

-4 -6 -8 -10 -12 Simulatie prototype 1 Simulatie prototype 1 met nieuwe !r Prototype 1

-14 2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

Frequentie [GHz]

Figuur 4.11: Exacte afmetingen prototype 1 APB1

0

|S11| [dB]

-5

-10

-15 Simulatie prototype 2 Simulatie prototype 2 met nieuwe !r Prototype 2

-20 2

2.2

2.4

2.6

2.8

Frequentie [GHz]

Figuur 4.12: Exacte afmetingen prototype 2 APB1

3


44

Met de nieuwe waarde van ǫr = 2, optimaliseren we de volgende antennes. We beginnen hieraan met behulp van (4.2). In deze situatie is de huidige resonantiefrequentie ongeveer 2.2GHz en 2,2 = 44mm en moeten ook de andere de gewenste 2.45GHz. We vinden dus Lg = 49mm 2,45 dimensies van de antenne herschalen. We vinden x = 4.5mm

44 49

≈ 4mm en W = 26mm

44 49

≈ 23mm

Na meermaals herschalen bekomen we een antenne met een vrij goede reflectiekarakteristiek, doch de resonantiepiek valt nog steeds niet bij 2.45GHz. Daarom schakelen we nu over naar het schematic window. Hier maken we eerst gebruik van de parametersweep-functie, waarbij we de impact van een bepaalde dimensie op de reflectiekarakteristiek kunnen ontdekken. In Figuur 4.13 wordt dit voorgesteld voor de afmeting L. L varieert van 42mm tot 45mm in stappen van 1mm bij vaste afmetingen voor x en W , namelijk 4.5mm respectievelijk 15mm. We zien hier duidelijk dat de resonantiefrequentie verlaagt als de lengte van de antenne groter wordt. Bij L = 43mm ligt de resonantiefrequentie het dichtst bij 2.45GHz. 0

|S11| [dB]

-5

-10

-15 L = 42mm L = 43mm L = 44mm L = 45mm

-20 2

2.2

2.4

2.6

2.8

Frequentie [GHz]

Figuur 4.13: Parametersweep voor dimensie L

3


45

Voor L kiezen we dus 43mm. Na dit ook te doen voor de dimensies x en W , vinden we een antenne met afmetingen uit Tabel 4.10. L [mm]

43

W [mm]

15

x [mm]

4.5

Tabel 4.10: Afmetingen prototypes 3, 4, 5 en 6 APB1

Dit ’voor’-ontwerp gebruiken we om een optimalisatie rond uit te voeren met het gradiëntgebaseerde algoritme. Hierbij is het echter niet mogelijk om een beter resultaat te bekomen dan we reeds hadden. Van deze antenne zijn de volgende vier prototypes gemaakt, waarvan één niet bruikbaar is, namelijk prototype 5. De resultaten van de metingen van de prototypes worden gegeven in Figuur 4.14, samen met de simulatie. 0

|S11| [dB]

-5

-10

-15

Simulatie Prototype 3 Prototype 4 Prototype 5 Prototype 6

-20 2

2.2

2.4

2.6

2.8

Frequentie [GHz]

Figuur 4.14: Simulatie en prototypes 3, 4, 5 en 6 APB1

3


4.3.2

46

FC1001

Met de parameters uit Tabel 4.2 berekenen we met LineCalc λ/2 ≈ 49mm en ǫr,ef f = 1.562. Hieruit vinden we xf ≈ 20mm met (4.1). Ook hier kan na optimalisatie met de paramtersweepfunctie, geen verdere verbetering worden gevonden wanneer we in schematic window optimaliseren. Tabel 4.11 geeft de geoptimaliseerde afmetingen van de antenne waarmee vier prototypes werden geproduceerd. L [mm]

45

W [mm]

19

x [mm]

8

Tabel 4.11: Afmetingen prototypes 1, 2, 3 en 4 FC1001

In Figuur 4.15 worden de resultaten van de simulatie en de metingen van de vier prototypes weergegeven. Het is opmerkelijk dat twee van de vier prototypes een sterke shift hebben ondergaan. Het is dus duidelijk dat zo een antenne zeer gevoelig is en dat zeer kleine details ervoor kunnen zorgen dat de antenne anders gaat werken. Deze shift vormt echter niet zo’n groot probleem voor dit onderzoek aangezien we hier vooral nood hebben aan goed gedefinieerde resonantiepieken. 0

-5

|S11| [dB]

-10

-15

-20 Simulatie Prototype 1 Prototype 2 Prototype 3 Prototype 4

-25

-30 2

2.2


2.8

Figuur 4.15: Simulatie en prototypes 1, 2, 3 en 4 FC1001

3


4.3.3

47

Fleece

Met LineCalc bekomen we λ/2 ≈ 58mm en ǫr,ef f = 1.118, waaruit xf ≈ 27mm volgt. Wanneer we nu de methode van parametersweep toepassen, vinden we een antenne met afmetingen L = 55mm, W = 9.5mm en x = 26mm. Via het gradiënt-gebaseerde algoritme is het mogelijk lokaal te zoeken naar een betere oplossing. Een optimale antenne blijkt afmetingen uit Tabel 4.12 (tweede kolom) te hebben. De derde kolom geeft de afrondingen van deze dimensies waarmee ook prototypes zijn gemaakt. L [mm]

54.9441

55

W [mm]

9.5

9.5

x [mm]

26

26

Tabel 4.12: Afmetingen prototypes 1 - 15 Fleece

Figuur 4.16 geeft de simulatie van de antenne (optimaal en afgerond) en de resultaten van de metingen van prototype 1 en 2. Er treedt een verschuiving op ten opzichte van de simulaties. Een mogelijke reden hiervoor is het strijken waarbij, afhankelijk van de kracht die je uitoefent op het ijzer, de dikte wijzigt. Bij het tweede prototype werd minder kracht uitgeoefend op het strijkijzer en we zien dat de verschuiving reeds verminderd is. 0

-5

|S11| [dB]

-10

-15

-20 Optimalisatie Simulatie Prototype 1 Prototype 2 Prototype 14

-25

-30 2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

Frequentie [GHz]

Figuur 4.16: Simulaties en prototypes 1 en 2 Fleece

Na deze twee werkzame prototypes zijn nog dertien prototypes gemaakt die telkens mislukten. De diepst bekomen piek is −7dB voor prototype 14 (Figuur 4.16) dat niet met FlecTronr als geleidend materiaal is gemaakt, maar met Cu-folie. Er was een vermoeden dat de mislukking te wijten was aan het verbranden van het FlecTronr bij het solderen. Dit prototype zal eveneens gebruikt worden bij het onderzoek naar de invloed van de vochtigheid.


4.3.4

48

Katvlas

Met LineCalc berekenen we λ/2 ≈ 49mm en ǫr,ef f = 1.528, waaruit xf ≈ 20mm volgt. We gebruiken opnieuw de functie Parametersweep voor dimensies L, W en x en vinden een antenne met afmetingen L = 44mm, W = 16mm en x = 11mm. Deze antenne resoneert echter bij een frequentie van 2.533GHz. We passen op deze dimensies herschaling toe volgens (4.2) en vinden: Lg = 44mm 2.533 2.45 ≈ 45.5mm 45.5 W = 16 44 ≈ 16.5mm x = 11mm 45.5 44 ≈ 11.5mm Met het gradiënt-gebaseerde algoritme vinden we de optimale dimensies zoals weergegeven in Tabel 4.13 (kolom 2), die afgerond (kolom 3) overeenkomen met de oorspronkelijk gevonden waarden met herschaling. L [mm]

45.5036

45.5

W [mm]

11.5

11.5

x [mm]

16.5

16.5

Tabel 4.13: Geoptimaliseerde afmetingen en afmetingen prototypes 1, 2 en 3 Katvlas

Met deze gegevens zijn drie prototypes gemaakt. In Figuur 4.17 worden de simulaties (optimaal en afgerond) en de metingen van de drie prototypes weergegeven. We zien dat vrij goede resultaten worden bekomen. 0 -5

|S11| [dB]

-10 -15 -20 -25 Optimalisatie Simulatie Prototype 1 Prototype 2 Prototype 3

-30 -35 2

2.2

2.4

2.6

2.8

Frequentie [GHz]

Figuur 4.17: Simulaties en prototypes 1, 2 en 3 Katvlas

3


4.3.5

49

Jeans

Met LineCalc berekenen we λ/2 ≈ 49mm en ǫr,ef f = 1.566, waaruit xf ≈ 20mm volgt. We gebruiken opnieuw de functie Sweep voor dimensies L, W en x en vinden een antenne met afmetingen L = 45.5mm, W = 17mm en x = 17mm. Deze antenne resoneert bij een frequentie van 2.44GHz, wat dus zeer dicht bij de gewenste frequentie ligt. Met deze afmetingen maken we drie prototypes, die echter geen goed gedefinieerde resonantiepiek hebben. Dit zien we in Figuur 4.18. We zien ook dat de resonantiefrequentie een zeer klein beetje verschoven is ten opzichte van de simulatie. 0

|S11| [dB]

-5

-10

-15

-20

Simulatie Prototype 1 Prototype 2 Prototype 3

-25 2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

Frequentie [GHz]

Figuur 4.18: Simulatie en prototypes 1, 2 en 3 Jeans

Door de slecht gedefinieerde pieken, besluiten we de fout op de gekozen ǫr in rekening te brengen en met behulp van formule (4.5) vinden we dǫr = −0.04. De nieuwe ǫr is dus 1.71. Ook met deze substraatgegevens wordt een optimale antenne gevonden met afmetingen L = 45.5mm, W = 16mm en x = 18.5mm. Echter, de prototypes (4, 5 en 6) die met deze afmetingen worden gemaakt, hebben nog minder goed gedefinieerde pieken dan de vorige prototypes.


50

We vinden de oplossing bij het substraat Katvlas. Aangezien het ontwerp gevonden voor dat substraat niet erg gevoelig lijkt, maken we voor Jeans een prototype met dezelfde afmetingen (zie Tabel 4.13 (kolom 3)). Ondanks hetgeen de simulatie doet vermoeden, heeft dit prototype een uitgesproken resonantiepiek. Twee bijkomende prototypes bevestigen dit idee. In Figuur 4.19 zien we de simulatie en de drie prototypes. Het is duidelijk dat de keuze van de substraatkarakteristieken voor Jeans verkeerd is, aangezien simulatie en prototypes niet overeenkomen. 0 -5 -10

|S11| [dB]

-15 -20 -25 -30 -35

Simulatie Prototype 7 Prototype 8 Prototype 9

-40 -45 2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

Frequentie [GHz]

Figuur 4.19: Simulatie en prototypes 7, 8 en 9 Jeans

4.3.6

Urecom

Met LineCalc berekenen we λ/2 ≈ 52mm en ǫr,ef f = 1.392, waaruit xf ≈ 22mm volgt. Na een eerste keuze voor de dimensies (L = 52mm, W = 25mm en x = 22mm), vinden we na herschaling een antenne die niet verder kan geoptimaliseerd worden. De afmetingen zijn gegeven in Tabel 4.14 waarmee een eerste prototype wordt gemaakt. L [mm]

46

W [mm]

20

x [mm]

19

Tabel 4.14: Afmetingen prototype 1 Urecom


51

In Figuur 4.20 wordt de reflectiekarakteristiek van simulatie en prototype 1 weergegeven. We zien dat de resonantiepiek sterk naar rechts verschoven is ten opzichte van deze van de simulatie. We berekenen hieruit met (4.5) de fout op ǫr en vinden dǫr = −0.25, waaruit dus de nieuwe ǫr = 1.25 volgt. 0

|S11| [dB]

-5

-10

-15

Simulatie Prototype 1

-20 2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

Frequentie [GHz]

Figuur 4.20: Simulatie en prototype 1 Urecom

Opnieuw gebruiken we LineCalc en vinden we: λ/2 ≈ 56mm, ǫr,ef f = 1.199 en xf ≈ 26mm. De derde dimensie kiezen we W = 20mm. Na optimaliseren vinden we een antenne met afmetingen weergegeven in Tabel 4.15 (kolom 2). De afgeronde waarden (kolom 3) worden gebruikt voor het maken van vijf prototypes. In Figuur 4.21 worden de reflectiekarakteristieken weergegeven van de simulaties (optimaal en afgerond) en de prototypes. Prototype 2 levert ondanks de kleine fout bij het solderen een goed resultaat op; prototype 4 daarentegen heeft een minder goed uitgesproken resonantiepiek. L [mm]

49.3484

49

W [mm]

15.7791

16

x [mm]

30.2637

30

Tabel 4.15: Afmetingen prototypes 2, 3, 4, 5 en 6 Urecom


52

0

-5

|S11| [dB]

-10

-15

-20

Optimalisatie Simulatie Prototype 2 Prototype 3 Prototype 4 Prototype 5 Prototype 6

-25

-30 2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

Frequentie [GHz]

Figuur 4.21: Simulatie en prototypes 2, 3, 4, 5 en 6 Urecom

4.3.7

Azzuri Mousse

Met de gegevens uit Tabel 4.7 vinden we via LineCalc λ/2 ≈ 57mm en ǫr,ef f = 1.160. Hieruit volgt xf ≈ 26mm. Met de methode van herschaling vinden we de afmetingen gegeven in Tabel 4.16, waarmee we het eerste prototype maken. Dit prototype levert echter een veel te lage resonantiepiek, zoals te zien is in Figuur 4.22. Ook de simulatie en het resultaat van een tweede prototype met hetzelfde probleem zijn op de figuur weergegeven. L [mm]

51

W [mm]

12

x [mm]

23

Tabel 4.16: Afmetingen prototype 1 en 2 Azzuri Mousse

We kiezen nu voor het genetisch algoritme in het schematic window en bekomen nieuwe afmetingen (Tabel 4.17) waarmee prototypes 3 en 4 worden geproduceerd. De optimalisatie en de simulatie met afgeronde waarden voor deze dimensies, zijn veelbelovend, maar in Figuur 4.23 zien we dat de prototypes helemaal geen goed resultaat geven. Het was binnen het tijdsbestek niet mogelijk met dit substraat goede prototypes te bekomen. Dit substraat komt dan ook niet meer aan bod in het volgende hoofdstuk, waar de invloed van de vochtigheid wordt onderzocht.


53

L [mm]

49.5

W [mm]

23

x [mm]

32

Tabel 4.17: Afmetingen prototype 3 en 4 Azzuri Mousse

0 -5

|S11| [dB]

-10 -15 -20 -25 -30

Simulatie Prototype 1 Prototype 2

-35 2

2.2


2.8

3

Figuur 4.22: Simulatie en prototypes 1 en 2 Azzuri Mousse

0

-5

|S11| [dB]

-10

-15

-20 Optimalisatie Simulatie Prototype 3 Prototype 4

-25

-30 2

2.2


2.8

3

Figuur 4.23: Optimalisatie, simulatie en prototypes 3 en 4 Azzuri Mousse

Hoofdstuk 5

Invloed van de relatieve vochtigheid Het doel van deze scriptie is het onderzoeken van de invloed van de relatieve vochtigheid (relative humidity rH [%]) op de werking van textielantennes. Hiertoe zijn verschillende antennes ontworpen en gerealiseerd op verschillende substraten zoals beschreven in het vorige hoofdstuk. Deze antennes worden dan in een klimakast voor minimaal 24 uur geklimatiseerd aan bepaalde omstandigheden van relatieve vochtigheid en temperatuur. Nadien wordt telkens de reflectiekarakteristiek van de antenne gemeten met de Vector Network Analyzer (VNA). Een eerste reeks metingen gebeurt bij relatieve vochtigheden van respectievelijk 10, 20, 40, 60 en 80% en bij een temperatuur van 23℃, een tweede reeks gebeurt bij dezelfde temperatuur en bij relatieve vochtigheden van 10, 30, 50, 70 en 90%.

5.1

Vochttoeslag

De vochttoeslag van een materiaal (reprise, moisture regain) is een maat voor de hoeveelheid water dat het kan vasthouden. Vochttoeslag wordt gedefinieerd als de hoeveelheid vocht aanwezig in een materiaal, uitgedrukt als een percentage ten opzichte van het vocht-vrije gewicht van het materiaal, bepaald onder welomlijnde omstandigheden. Hiertoe worden de materialen gewogen na minimaal 24h te klimatiseren in een standaard ruimte met 65% rH en een temperatuur van 20℃. Nadien worden de materialen voor minimaal 5h in een oven gebracht op een temperatuur van 105℃. De materialen zijn nu vrij van vocht en worden opnieuw gewogen. De vochttoeslag is per definitie [44, 45]: Vochttoeslag [%] =

Verlies 100 Netto massa in droge toestand

(5.1)

Om te vermijden dat de materialen opnieuw vocht opnemen op de weg van de oven naar de balans, worden de stalen onmiddellijk in een afsluitbaar plastic zakje opgeborgen na het uit de oven halen ervan. In Tabel 5.1 wordt de vochttoeslag van de materialen weergegeven. Hierbij is het gemiddelde genomen van twee metingen. We zien dat in de tabel, naast de zeven substraten ook FlecTronr opgenomen is in de tabel, alsook drie bijkomende substraten. Met zuiver linnen

54

Hoofdstuk 5. Invloed van de relatieve vochtigheid

55

als substraat was het echter onmogelijk antennes te produceren, aangezien het materiaal te flexibel is. Het dik zwart schuim heeft een dikte van 11mm, wat te dik is voor de connectoren die beschikbaar zijn. Het dunne zwarte schuim is slechts op het einde van het onderzoek geleverd, waardoor geen antennes meer gemaakt zijn met dit substraat. Materiaal

Vochttoeslag [%]

Materiaal

Vochttoeslag [%]

APB1

5.68

Azzuri Mousse

2.27

FC1001

5.50

FlecTron

2.75

Fleece

0.95

Linnen

7.91

Katvlas

8.02

Dik zwart schuim

1.325

Jeans

7.33

Dun zwart schuim

0.82

Urecom

1.99 Tabel 5.1: Vochttoeslag

De resultaten zoals weergegeven in Tabel 5.1 zijn ongeveer te verwachten op basis van de chemische achtergrond van de substraten (Sectie 4.2.3). De substraten op basis van natuurlijke vezels (Katvlas, Jeans, Linnen) hebben de hoogste vochttoeslag en voor APB1, dat een menging is van natuurlijke en synthetische vezels, is de waarde ook relatief hoog. Fleece en de synthetische schuimen hebben daarentegen een zeer lage vochttoeslag, wat ook te verwachten was. FC1001 heeft een hoge vochttoeslag voor een PAr met koolstofvezels. De vochttoeslag is echter niet alleen afhankelijk van de chemische achtergrond van het materiaal. In Tabel 5.2 worden de drie structuren schematisch weergegeven die van toepassing zijn op de gebruikte substraten. Het spreekt voor zich dat ook zij de vochttoeslag kunnen be¨ınvloeden. Een gewone weefselstructuur is open en dus meer toegankelijk voor watermoleculen dan de cellenstructuur van een schuim. Bij deze laatste moeten de watermoleculen immers doorheen de celwanden diffunderen om tot het binnenste van het materiaal te kunnen komen. Deze structuur is dus duidelijk niet bevorderlijk voor een hoge vochttoeslag. De speciale structuur van fleece, de pile structuur, waarbij kleine haartjes op een weefsel rechtop staan, is een open structuur. De oorzaak van de lage vochttoeslag van fleece moet dus niet gezocht worden bij de weefselstructuur, maar bij de chemische achtergrond van het materiaal.


Structuur

Substraten

56

Schematische voorstelling

Weefsel • APB1 • FC1001 • Katvlas • Jeans Pile structuur • Fleece

Schuim: cellenstructuur • Urecom • Azzuri Mousse • Dik zwart schuim • Dun zwart schuim

Tabel 5.2: Schematische voorstelling van de structuur van de substraten


5.2 5.2.1

57

Resultaten APB1

Voor het substraat APB1 kiezen we de prototypes 3, 4 en 6 (Sectie 4.3.1) met goed gedefinieerde resonantiepieken. In Figuur 5.1 zien we alle reflectiekarakteristieken weergegeven voor prototype 3 gemeten bij de verschillende vochtigheden (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 en 90%). In Figuur 5.2 wordt dit weergegeven voor prototype 4 en in Figuur 5.3 voor prototype 6. Voor 10% rH zijn er telkens twee reflectiekarakteristieken opgemeten, één afkomstig van de eerste reeks metingen en één van de tweede reeks. Op deze manier kunnen we ook de reproduceerbaarheid van de meting nagaan. We zien in de figuren dat de reflectiekarakteristieken van beide metingen voor dit substraat vrij goed samenvallen. In wat volgt zullen we zien dat dit niet voor alle substraten het geval is. We zien in de figuren een duidelijke verschuiving van de resonantiefrequentie naar links naarmate dat de relatieve vochtigheid stijgt. Daarnaast zien we ook dat de pieken breder en minder diep worden, wat erop wijst dat er meer diëlektrische verliezen optreden in het materiaal. Er is dus een duidelijke invloed van de vochtigheid. Het is nu de bedoeling om deze invloeden te kwantificeren. Eerst en vooral bepalen we de resonantiefrequentie fr en de bandbreedte BW. We definiëren de bandbreedte als deze bij −6dB omdat bij een hogere vochtigheidsgraad de pieken minder diep worden en niet meer tot −10dB reiken, waardoor (3.5) niet meer voldaan is. De resultaten hiervan vinden we terug in de tabellen 5.3, 5.4 en 5.5 voor respectievelijk prototypes 3, 4 en 6. Naast de waarden voor fr en BW, vinden we in de tabellen ook de waarden voor de relatieve permittiviteit ǫr en de verliestangens tan δ terug. De resonantiefrequentie is gelinkt met de waarde van de relatieve permittiviteit terwijl de bandbreedte met de verliestangens is gelinkt. De methode om deze waarden te bepalen is er een van ’trial and error’. Hiertoe simuleren we in het programma ADS een antenne met de afmetingen van het prototype en met bepaalde substraatkarakteristieken (ǫr en tan δ). We vergelijken de bekomen simulatie met de meting van het prototype bij een bepaalde vochtigheid. Hieruit kunnen we afleiden hoe we de karakteristieken moeten aanpassen om de simulatie te laten samenvallen met de meting. Wanneer dat gebeurt, zijn de gekozen ǫr en tan δ de karakteristieken van het substraat bij die bepaalde vochtigheid.


58

0 -2

|S11| [dB]

-4 -6 10% rH (1) 10% rH (2) 20% rH 30% rH 40% rH 50% rH 60% rH 70% rH 80% rH 90% rH

-8 -10 -12 -14 2

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

Frequentie [GHz] Figuur 5.1: Invloed van de vochtigheid APB1 prototype 3: Reflectiekarakteristieken

rH [%]

fr [GHz]

BW [M Hz]

ǫr [−]

tan δ [−]

10 (1)

2.385

157

2.1

0.053

10 (2)

2.390

157

2.1

0.051

20

2.368

149

2.14

0.056

30

2.362

157

2.15

0.055

40

2.350

157

2.17

0.056

50

2.330

163

2.2

0.058

60

2.315

153

2.24

0.061

70

2.283

150

2.3

0.065

80

2.237

138

2.4

0.07

90

2.180

127

2.54

0.074

Tabel 5.3: Invloed van de vochtigheid APB1 prototype 3: Substraateigenschappen


59

0 -2

|S11| [dB]


-8 -10 -12 -14 2

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7


rH [%]

fr [GHz]

BW [M Hz]

ǫr [−]

tan δ [−]

10 (1)

2.415

167

2.05

0.057

10 (2)

2.415

170

2.05

0.055

20

2.400

165

2.08

0.058

30

2.393

168

2.09

0.06

40

2.380

162

2.12

0.06

50

2.365

164

2.15

0.063

60

2.337

163

2.2

0.058

70

2.328

155

2.215

0.072

80

2.237

138

2.4

0.069

90

2.228

148

2.42

0.069



60

0 -2

|S11| [dB]


-8 -10 -12 -14 2

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8


rH [%]

fr [GHz]

BW [M Hz]

ǫr [−]

tan δ [−]

10 (1)

2.467

173

1.96

0.059

10 (2)

2.462

180

1.98

0.063

20

2.447

171

2.0

0.062

30

2.438

170

2.01

0.065

40

2.433

167

2.02

0.066

50

2.398

163

2.08

0.072

60

2.382

172

2.12

0.065

70

2.342

157

2.19

0.074

80

2.325

163

2.22

0.066

90

2.260

138

2.35

0.075


5.2.2

FC1001

In Sectie 4.3.2 zien we dat prototype 2 de minst goed gedefinieerde resonantiepiek heeft van de vier geproduceerde prototypes. De prototypes 1, 3 en 4 worden dus gebruikt voor het onderzoek naar de invloed van de vochtigheid. Voor deze prototypes worden in de volgende figuren en tabellen de reflectiekarakteristieken en substraateigenschappen gegeven die het resultaat zijn


61

van de metingen van de antennes na het klimatiseren in de klimakast. We zien dat ook hier de resonantiefrequentie verschuift naar lagere waarden met een toenemende vochtigheid en dat de pieken breder en minder diep worden.

0 -2

|S11| [dB]


-8 -10 -12 -14 2.2

2.3

2.4


2.7

2.8

Figuur 5.4: Invloed van de vochtigheid FC1001 prototype 1: Reflectiekarakteristieken

rH [%]

fr [GHz]

BW [M Hz]

ǫr [−]

tan δ [−]

10 (1)

2.470

123

1.73

0.025

10 (2)

2.482

125

1.72

0.025

20

2.467

122

1.74

0.027

30

2.465

125

1.745

0.028

40

2.450

120

1.76

0.028

50

2.440

122

1.78

0.028

60

2.422

120

1.81

0.028

70

2.395

118

1.85

0.03

80

2.388

115

1.87

0.031

90

2.375

116

1.89

0.034

Tabel 5.6: Invloed van de vochtigheid FC1001 prototype 1: Substraateigenschappen


62

0 -5 -10

|S11| [dB]

-15 -20

10% rH (1) 10% rH (2) 20% rH 30% rH 40% rH 50% rH 60% rH 70% rH 80% rH 90% rH

-25 -30 -35 -40 2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9

Frequentie [GHz] Figuur 5.5: Invloed van de vochtigheid FC1001 prototype 3: Reflectiekarakteristieken

rH [%]

fr [GHz]

BW [M Hz]

ǫr [−]

tan δ [−]

10 (1)

2.610

147

1.55

0.02

10 (2)

2.650

153

1.5

0.015

20

2.612

148

1.54

0.019

30

2.627

155

1.52

0.019

40

2.595

150

1.56

0.019

50

2.615

155

1.54

0.015

60

2.587

15

1.57

0.025

70

2.585

166

1.58

0.025

80

2.565

158

1.6

0.027

90

2.570

173

1.6

0.027


Bij prototype 3 (Figuur 5.5) liggen de twee metingen voor de rH van 10% zeer sterk uit elkaar, wat voor de andere prototypes niet zo is. Er moet ook op gewezen worden dat dit prototype uitstraalt bij een sterk verschillende frequentie dan de andere twee prototypes. Dit heeft voor gevolg dat ook de waarden van ǫr sterk verschillen (Tabel 5.7).


63

0

|S11| [dB]

-5

-10


-15

-20 2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

Frequentie [GHz] Figuur 5.6: Invloed van de vochtigheid FC1001 prototype 4: Reflectiekarakteristieken

rH [%]

fr [GHz]

BW bij -6dB [GHz]

ǫr [−]

tan δ [−]

10 (1)

2.480

130

1.72

0.025

10 (2)

2.478

132

1.73

0.025

20

2.475

127

1.73

0.025

30

2.473

132

1.73

0.025

40

2.458

130

1.75

0.026

50

2.453

133

1.76

0.026

60

2.440

130

1.78

0.027

70

2.428

131

1.8

0.027

80

2.398

129

1.84

0.027

90

2.388

131

1.86

0.029


5.2.3

Fleece

Bij dit substraat kiezen we de prototypes 1, 2 en 14 voor het onderzoek (Sectie 4.3.3). De figuren bevestigen het vermoeden dat er bij Fleece weinig tot geen invloed is van de vochtigheid. De verschillende resonantiepieken van de curves voor de verschillende vochtigheidsgraden situeren zich allemaal rond eenzelfde resonantiefrequentie, namelijk 2.3GHz voor prototype 1, 2.35GHz


64

voor prototype 2 en 2.49GHz voor prototype 14. Ook de breedte van de pieken varieert bijna niet. Aangezien de resonantiepieken van de prototypes 1 en 14 slechts tot ongeveer −6dB reiken, heeft het niet veel zin om de bandbreedte bij −6dB te bepalen. Deze zal telkens slechts enkele MHz bedragen.

0 -1 -2

|S11| [dB]

-3 -4


-5 -6 -7 -8 2

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

Frequentie [GHz] Figuur 5.7: Invloed van de vochtigheid Fleece prototype 1: Reflectiekarakteristieken

rH [%]

fr [GHz]

BW [M Hz]

ǫr [−]

tan δ [−]

10 (1)

2.335

-

1.255

0.087

10 (2)

2.337

-

1.255

0.083

20

2.325

-

1.265

0.0845

30

2.328

-

1.265

0.082

40

2.333

-

1.26

0.0865

50

2.315

-

1.28

0.085

60

2.320

-

1.27

0.092

70

2.320

-

1.27

0.09

80

2.308

-

1.29

0.084

90

2.322

-

1.27

0.084

Tabel 5.9: Invloed van de vochtigheid Fleece prototype 1: Substraateigenschappen


65

0 -2

|S11| [dB]


-8 -10 -12 -14 2

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7


rH [%]

fr [GHz]

BW [M Hz]

ǫr [−]

tan δ [−]

10 (1)

2.355

63

1.23

0.047

10 (2)

2.380

60

1.19

0.047

20

2.362

65

1.22

0.042

30

2.370

60

1.21

0.04

40

2.350

63

1.24

0.04

50

2.355

63

1.23

0.04

60

2.337

65

1.25

0.04

70

2.345

64

1.24

0.04

80

2.342

63

1.24

0.04

90

2.320

69

1.27

0.04



66

0 -1 -2

|S11| [dB]

-3 -4


-5 -6 -7 -8 2.3

2.35

2.4

2.45

2.5

2.55

2.6

2.65

2.7


rH [%]

fr [GHz]

BW [M Hz]

ǫr [−]

tan δ [−]

10 (1)

2.487

-

1.07

0.04

10 (2)

2.490

-

1.07

0.03

20

2.487

-

1.07

0.03

30

2.498

-

1.06

0.03

40

2.490

-

1.06

0.03

50

2.495

-

1.06

0.03

60

2.490

-

1.06

0.03

70

2.505

-

1.05

0.03

80

2.480

-

1.09

0.03

90

2.510

-

1.04

0.03


5.2.4

Katvlas

Bij het natuurlijke substraat Katvlas gebruiken we de drie geproduceerde prototypes voor het onderzoek (Sectie 4.3.4). In de Figuren 5.10, 5.11 en 5.12 worden de resultaten grafisch weergegeven. We zien duidelijk dat er bij dit substraat een zeer grote invloed van de vochtigheid op de resultaten is. Vooreerst is er een zeer duidelijke verschuiving van de resonantiefrequentie.


67

Daarnaast zijn de pieken zeer smal en diep bij 10% rH, maar de pieken worden zeer breed en ondiep bij hogere waarden voor de relatieve vochtigheid.

0

-5

|S11| [dB]

-10


-15

-20

-25 2

2.1

2.2

2.3

2.4 2.5 2.6 Frequentie [GHz]

2.7

2.8

2.9

Figuur 5.10: Invloed van de vochtigheid Katvlas prototype 1: Reflectiekarakteristieken

rH [%]

fr [GHz]

BW [M Hz]

ǫr [−]

tan δ [−]

10 (1)

2.515

162

1.66

0.005

10 (2)

2.527

157

1.645

0.005

20

2.480

162

1.68

0.007

30

2.493

165

1.7

0.007

40

2.475

170

1.72

0.008

50

2.447

170

1.76

0.009

60

2.418

165

1.8

0.01

70

2.380

160

1.875

0.0105

80

2.333

151

1.96

0.011

90

2.255

137

2.11

0.012

Tabel 5.12: Invloed van de vochtigheid Katvlas prototype 1: Substraateigenschappen


68

0 -5 -10

|S11| [dB]

-15 -20


-25 -30 -35 -40 2

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9

Frequentie [GHz] Figuur 5.11: Invloed van de vochtigheid Katvlas prototype 2: Reflectiekarakteristieken

rH [%]

fr [GHz]

BW [M Hz]

ǫr [−]

tan δ [−]

10 (1)

2.543

153

1.62

0.003

10 (2)

2.570

157

1.59

0.0035

20

2.523

155

1.65

0.005

30

2.535

160

1.63

0.005

40

2.500

158

1.68

0.0065

50

2.487

167

1.7

0.007

60

2.458

163

1.75

0.008

70

2.420

170

1.8

0.01

80

2.368

159

1.9

0.0105

90

2.283

145

2.06

0.11



69

0

|S11| [dB]

-5

-10 10% rH (1) 10% rH (2) 20% rH 30% rH 40% rH 50% rH 60% rH 70% rH 80% rH 90% rH

-15

-20

-25 2

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9

Frequentie [GHz] Figuur 5.12: Invloed van de vochtigheid Katvlas prototype 3: Reflectiekarakteristieken

rH [%]

fr [GHz]

BW [M Hz]

ǫr [−]

tan δ [−]

10 (1)

2.563

150

1.6

0.005

10 (2)

2.578

155

1.58

0.005

20

2.545

153

1.62

0.0065

30

2.540

158

1.63

0.007

40

2.527

152

1.645

0.007

50

2.490

159

1.7

0.009

60

2.470

155

1.73

0.01

70

2.425

149

1.79

0.011

80

2.380

143

1.875

0.011

90

2.288

122

2.04

0.0115



5.2.5

70

Jeans

Uit Sectie 4.3.5 volgt dat de prototypes 7, 8 en 9 de best gedefinieerde resonantiepieken hebben. Net zoals voor Katvlas, zien we hier ook dat de invloed van de vochtigheid enorm groot is bij dit natuurlijke substraat.

0 -5 -10

|S11| [dB]


-25 -30 -35 -40 -45 2

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

Frequentie [GHz] Figuur 5.13: Invloed van de vochtigheid Jeans prototype 7: Reflectiekarakteristieken

rH [%]

fr [GHz]

BW [M Hz]

ǫr [−]

tan δ [−]

10 (1)

2.505

173

1.62

0.035

10 (2)

2.518

170

1.61

0.035

20

2.495

173

0.63

0.038

30

2.482

187

1.66

0.038

40

2.467

183

1.68

0.038

50

2.422

187

1.74

0.038

60

2.415

185

1.76

0.038

70

2.360

188

1.84

0.04

80

2.315

175

1.92

0.041

90

2.243

158

2.04

0.048

Tabel 5.15: Invloed van de vochtigheid Jeans prototype 7: Substraateigenschappen


71

0 -5 -10

|S11| [dB]

-15 -20


-25 -30 -35 -40 2

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8


rH [%]

fr [GHz]

BW [M Hz]

ǫr [−]

tan δ [−]

10 (1)

2.518

170

1.61

0.035

10 (2)

2.502

165

1.62

0.03

20

2.507

173

1.62

0.03

30

2.478

172

1.66

0.035

40

2.473

180

1.66

0.035

50

2.430

185

1.73

0.038

60

2.418

193

1.75

0.038

70

2.368

185

1.82

0.04

80

2.330

188

1.88

0.043

90

2.237

173

2.05

0.048



72

0 -5

|S11| [dB]


-20 -25 -30 -35 2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9


rH [%]

fr [GHz]

BW [M Hz]

ǫr [−]

tan δ [−]

10 (1)

2.550

190

1.56

0.035

10 (2)

2.545

190

1.56

0.035

20

2.538

195

1.57

0.038

30

2.512

202

1.61

0.038

40

2.518

202

1.6

0.038

50

2.462

208

1.67

0.04

60

2.460

205

1.68

0.042

70

2.433

225

1.72

0.048

80

2.375

210

1.81

0.05

90

2.310

217

1.92

0.055


5.2.6

Urecom

Van dit schuim worden voor het onderzoek de prototypes 2, 3 en 6 gebruikt (Sectie 4.3.6). In volgende figuren worden de resultaten weergegeven van de metingen van de antennes bij verschillende vochtigheidsgraden. We bemerken hier duidelijk een veel minder grote invloed. De resonatiepieken variëren slechts weinig rond een bepaalde frequentie. De bandbreedte blijft


73

ook zo goed als onveranderd. Dit is ook wat we verwacht hadden op basis van de gemeten vochttoeslag van het materiaal Urecom.

0 -2

|S11| [dB]


-8 -10 -12 -14 2.1

2.2

2.3


2.6

2.7

2.8

Figuur 5.16: Invloed van de vochtigheid Urecom prototype 2: Reflectiekarakteristieken

rH [%]

fr [GHz]

BW [M Hz]

ǫr [−]

tan δ [−]

10 (1)

2.470

122

1.235

0.016

10 (2)

2.478

127

1.22

0.019

20

2.465

122

1.24

0.02

30

2.473

122

1.235

0.022

40

2.467

120

1.24

0.02

50

2.462

127

0.25

0.018

60

2.453

122

1.265

0.01

70

2.438

132

1.28

0.017

80

2.442

130

1.28

0.018

90

2.410

130

1.32

0.02

Tabel 5.18: Invloed van de vochtigheid Urecom prototype 2: Substraateigenschappen


74

0

-2

|S11| [dB]

-4

-6


-8

-10

-12 2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

Frequentie [GHz] Figuur 5.17: Invloed van de vochtigheid Urecom prototype 3: Reflectiekarakteristieken

rH [%]

fr [GHz]

BW [M Hz]

ǫr [−]

tan δ [−]

10 (1)

2.510

117

1.19

0.023

10 (2)

2.513

123

1.18

0.028

20

2.500

113

1.2

0.028

30

2.505

127

1.2

0.025

40

2.502

113

1.2

0.024

50

2.500

125

1.2

0.024

60

2.490

120

1.215

0.022

70

2.482

125

1.225

0.021

80

2.465

119

1.25

0.02

90

2.458

113

1.255

0.018



75

0

-2

|S11| [dB]

-4

-6


-8

-10

-12 2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

Frequentie [GHz] Figuur 5.18: Invloed van de vochtigheid Urecom prototype 6: Reflectiekarakteristieken

rH [%]

fr [GHz]

BW [M Hz]

ǫr [−]

tan δ [−]

10 (1)

2.487

115

1.22

0.023

10 (2)

2.498

120

1.205

0.02

20

2.480

121

1.23

0.022

30

2.480

119

1.225

0.022

40

2.480

121

1.225

0.025

50

2.475

120

1.23

0.025

60

2.462

112

1.25

0.022

70

2.460

115

1.25

0.022

80

2.442

112

1.27

0.021

90

2.447

112

1.27

0.021



5.3

76

Model

We willen de resultaten van dit onderzoek nu toetsen aan de Maxwell Garnett mixing rule. Dit model beschrijft de relatieve permittiviteit van een homogene stof waarin een bepaalde hoeveelheid van een andere stof is opgenomen. [46] Hierbij wordt verondersteld dat de opgenomen partikels perfecte sfeertjes zijn, die op de plaats komen van een perfect sfeertje homogeen materiaal. Dit wordt beschreven met behulp van de Clausius-Mossotti formule ǫi − ǫh ǫmix − ǫh = fV , ǫmix + 2ǫh ǫi + 2ǫh

(5.2)

welke kan herschreven worden als ǫmix = ǫh + 3fV ǫh

ǫi − ǫh . ǫi + 2ǫh − fV (ǫi − ǫh )

(5.3)

Hierbij is ǫmix de relatieve permittiviteit van het materiaal met de opgenomen partikels, ǫh de relatieve permittiviteit van het homogene materiaal, fV de volumefractie van de opgenomen partikels en ǫi de relatieve permittiviteit van het opgenomen materiaal. In dit onderzoek wordt water als opgenomen materiaal beschouwd en de verschillende substraten zijn de homogene materialen. De relatieve permittiviteit van water bedraagt ǫr = 78 bij 2.45GHz en 20℃ [47]. Om te kunnen nagaan of dit model geldig is in deze situatie moeten we de volumefracties van water in de antennes bepalen. Bij de tweede reeks metingen met de klimakast (10, 30, 50, 70 en 90% rH) hebben we telkens alle antennes gewogen nadat ze voor minimaal 24 uur geconditioneerd waren bij een bepaalde relatieve vochtigheidsgraad. Om te vermijden dat de antennes vocht opnemen of verliezen op de weg van de klimakast naar de balans, bergen we de antenne onmiddellijk nadat we hem uit de klimakast halen op in een afsluitbaar plastic zakje. Daarnaast hebben we de antennes ook gewogen wanneer ze volkomen droog zijn. Dit kan door ze voor minimaal 5 uur in een oven te laten klimatiseren bij een temperatuur van 105℃. Door dit gewicht af te trekken van het gewicht bij een bepaalde relatieve vochtigheidsgraad, kunnen we het gewicht berekenen van het aanwezige water in de antenne bij deze vochtigheidsgraad. Aangezien we weten dat de massadichtheid van water 1g/cm3 is, kunnen we hieruit het volume aanwezige water berekenen. De volumes van de antennes kunnen we ook schatten door alle afmetingen op te meten. Zo kunnen we dus de volumefracties fV van water in de antenne bepalen voor de relatieve vochtigheidsgraden 10, 30, 50, 70 en 90%. De volumefracties voor de eerste reeks metingen (20, 40, 60 en 80 % rH) berekenen we door interpolatie. De resultaten van deze berekeningen worden weergegeven in Tabel 5.21.


77

10

20

30

40

50

60

70

80

90

APB1 3 4 6

0.0143 0.0145 0.0113

0.0175 0.0181 0.0147

0.0208 0.0216 0.0180

0.0239 0.0245 0.0215

0.0270 0.0275 0.0250

0.0319 0.0321 0.0289

0.0369 0.0368 0.0328

0.0443 0.0441 0.0404

0.0518 0.0514 0.0479

FC1001 1 3 4

0.0107 0.0139 0.0136

0.0125 0.0155 0.0156

0.0143 0.0170 0.0176

0.0164 0.0185 0.0194

0.0184 0.0201 0.0212

0.0204 0.0219 0.0235

0.0223 0.0238 0.0259

0.0254 0.0252 0.0280

0.0284 0.0266 0.0301

Fleece 1 2 14

0.0015 0.0013 0.0014

0.0017 0.0015 0.0015

0.0020 0.0016 0.0016

0.0022 0.0017 0.0017

0.0023 0.0018 0.0017

0.0026 0.0020 0.0018

0.0029 0.0021 0.0019

0.0033 0.0025 0.0021

0.0037 0.0029 0.0023

Katvlas 1 2 3

0.0163 0.0178 0.0147

0.0189 0.0194 0.0175

0.0216 0.0210 0.0204

0.0253 0.0247 0.0242

0.0290 0.0284 0.0280

0.0330 0.0329 0.0328

0.0371 0.0374 0.0377

0.0457 0.0456 0.0465

0.0543 0.0539 0.0553

Jeans 7 8 9

0.0127 0.0135 0.0138

0.0146 0.0155 0.0155

0.0165 0.0165 0.0172

0.0193 0.0203 0.0201

0.0222 0.0222 0.0229

0.0256 0.0268 0.0265

0.0291 0.0291 0.0301

0.0366 0.0386 0.0380

0.0441 0.0441 0.0459

Urecom 2 3 6

0.0024 0.0024 0.0020

0.0025 0.0025 0.0021

0.0027 0.0027 0.0022

0.0031 0.0029 0.0025

0.0034 0.0032 0.0028

0.0040 0.0037 0.0033

0.0046 0.0043 0.0037

0.0052 0.0045 0.0045

0.0059 0.0056 0.0054

Tabel 5.21: Volumefracties water in de antennes

We zien in deze tabel dat de waarden van de volumefracties fV laag zijn. De term −fV (ǫi − ǫh ) in de noemer in (5.3) heeft daarom niet veel impact waardoor we dus benaderend kunnen zeggen dat we een rechte bekomen wanneer we ǫmix uitzetten in functie van fV : ǫmix = ǫh + b.fV met benaderend een constante helling b: b ≈ 3ǫh

ǫi − ǫh ǫi + 2ǫh

(5.4)

Uit deze lineaire benadering kunnen we in eerste instantie een waarde voor ǫh halen, namelijk de waarde van ǫmix wanneer fV = 0. Dit doen we door dit lineair verband uit te zetten en voor elk prototype een bijpassende trendlijn te fitten. Dit is voorgesteld in de Figuren 5.19, 5.20, 5.21, 5.22, 5.23 en 5.24. We zien dat bij alle substraten (behalve voor Fleece) de resultaten voor de verschillende prototypes inderdaad goede rechtes opleveren. Voor Fleece zien we voor de drie beschouwde prototypes een sterk verschillend resultaat, waarbij prototype 14 het sterkst afwijkt. We herinneren eraan dat bij dit prototype geen FlecTronr voor patch en grondvlak is gebruikt, maar een vaste Cu-folie. We kunnen uit de grafiek afleiden dat de volumefractie van water in de antenne veel minder is gestegen bij de overgang van 10% rH naar 90% rH in vergelijking met de andere prototypes. Door de vaste Cu-folie kan het water dus minder gemakkelijk tot in het fleece geraken.


78

Uit de analytische vergelijkingen van de trendlijnen kunnen we nu het snijpunt bepalen met de ǫmix -as, wat voor elke trendlijn een waarde voor ǫh oplevert. Voor elk substraat bepalen we nu het gemiddelde van deze bekomen waarden voor de verschillende prototypes, wat een nieuwe waarde voor ǫh oplevert. Deze waarde vullen we in in (5.3), waaruit we voor elk punt een nieuwe waarde van ǫh verkrijgen. Van al deze resultaten voor ǫh , nemen we opnieuw het gemiddelde. Deze uiteindelijke waarde voor ǫh gebruiken we om met behulp van (5.4) de helling b van de rechte van het model te bepalen. In de Figuren 5.19, 5.20, 5.21, 5.22, 5.23 en 5.24 wordt ook telkens het resultaat weergegeven van dit model. We zien dat dit model voor geen enkel substraat opgaat. De helling van het model verschilt telkens zeer veel van deze gevonden bij de prototypes. We kunnen hieruit besluiten dat de benaderingen die gemaakt zijn bij het optellen van dit model, onrealistisch zijn en niet stroken met de werkelijkheid.

Relatieve Permittiviteit mengsel !mix

2.6 2.5 2.4

Prototype 3 R2=0.9635 Prototype 4 R2=0.9497 Prototype 6 R2=0.965 Model

2.3 2.2 2.1 2 1.9 0.01

0.015

0.02

0.025 0.03 0.035 0.04 Volumefractie water fV

0.045

Figuur 5.19: APB1: Lineair verband tussen ǫmix en fV

0.05

0.055


79


1.9 1.85 1.8 1.75 1.7 1.65 Prototype 1 2 R =0.973 Prototype 3 2 R =0.8785 Prototype 4 2 R =0.9282 Model

1.6 1.55 1.5 1.45 0.01

0.015

0.02 0.025 Volumefractie water fV

0.03

0.035

Figuur 5.20: FC1001: Lineair verband tussen ǫmix en fV


1.3 1.25 1.2 1.15 Prototype 1 2 R =0.4097 Prototype 2 R2=0.7276 Prototype 14 2 R =0.0685 Model

1.1 1.05 1 0.001

0.0015

0.002 0.0025 0.003 Volumefractie water fV

Figuur 5.21: Fleece: Verband tussen ǫmix en fV

0.0035

0.004



2.2 2.1 2

80

Prototype 1 2 R =0.9819 Prototype 2 2 R =0.9722 Prototype 3 2 R =0.9704 Model

1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 Volumefractie water fV Figuur 5.22: Katvlas: Lineair verband tussen ǫmix en fV


2.1 2 1.9

Prototype 7 R2=0.9938 Prototype 8 R2=0.9759 Prototype 9 R2=0.9842 Model

1.8 1.7 1.6 1.5 0.01

0.015

0.02

0.025 0.03 0.035 Volumefractie water fV

0.04

Figuur 5.23: Jeans: Lineair verband tussen ǫmix en fV

0.045

0.05



1.35

1.3

81

Prototype 2 2 R =0.9393 Prototype 3 2 R =0.9467 Prototype 6 2 R =0.8695 Model

1.25

1.2

1.15 0.001

0.002

0.003 0.004 Volumefractie water fV

0.005

0.006

Figuur 5.24: Foam: Lineair verband tussen ǫmix en fV

Voor alle prototypes behalve Fleece, is te zien in deze figuren dat het verband tussen ǫmix en fV lineair is. Dit wordt ook bevestigd wanneer we lineaire regressie toepassen. In de legende van de figuren is telkens de lineaire determinatiecoëfficiënt R2 van de regressie weergegeven. Deze coëfficiënt is een maat is voor de kwaliteit van het regressiemodel en we zien dat de waarden bijna altijd zeer dicht bij 1 liggen. Dit wil zeggen dat het lineaire model zeer goed is.


5.4 5.4.1

82

Statistische Analyse Inleiding

De resultaten van dit onderzoek worden nu onderworpen aan een statistische analyse. Hierbij wordt eerst een variantie-analyse (Analysis of variance of ANOVA) uitgevoerd om te analyseren of de verschillende materialen op een analoge manier op een verandering van de relatieve vochtigheid reageren. Nadien wordt regressie toegepast om een trend te vinden in de resultaten.

5.4.2

Variantie-analyse

Bij een ANOVA gaat het in eerste instantie om een variantie in de afhankelijke variabele, in dit onderzoek ǫr . We weten dat de stochastische variabele ǫr afhankelijk is van twee factoren: de gemanipuleerde variabele, namelijk de relatieve vochtigheid rH en het materiaal. De verschillende substraten zijn de groepen die we wensen te vergelijken. We gaan enerzijds na of ǫr van de materialen significant van elkaar verschillen ongeacht de relatieve vochtigheid. Anderzijds willen we ook nagaan of de invloed van de relatieve vochtigheid voor de verschillende materialen een zelfde patroon volgt. Er wordt getest op significantieniveau α = 0.05. In Figuur 5.25 zien we voor de verschillende materialen het gemiddelde van ǫr uitgezet in functie van de relatieve vochtigheid rH. Voor Fleece wordt niet het gemiddelde uitgezet, maar enkel de resultaten van prototype 2. Dit prototype heeft de best gedefinieerde resonantiepiek en de minst fluctuerende resultaten bij dit onderzoek.


83

2.4

Relatieve Permittiviteit !r

2.2 2 1.8 1.6 Katvlas (8.02%) Jeans (7.33%) APB1 (5.68%) FC1001 (5.50%) Urecom (1.99%) Fleece (0.95%)

1.4 1.2 1 0

20

40

60 80 100 120 Relatieve Vochtigheid rH [%]

140

160

Figuur 5.25: Invloed van rH op ǫr voor de verschillende substraten

Op basis van de grafiek, kunnen we de materialen opdelen in twee groepen. Binnen eenzelfde groep vermoeden we dat de relatieve vochtigheid rH een gelijkaardige invloed op ǫr zal hebben. We gaan dit nadien na met een ANOVA. • APB1, Katvlas en Jeans zijn materialen met een hoge vochttoeslag, 5.68%, 8.02% en 7.33% respectievelijk. We zien op de grafiek dat de curves een gelijkaardig verloop kennen. • In de tweede groep zitten twee materialen met een lage vochttoeslag, Fleece (0.95%) en Urecom (1.99%). FC1001 daarentegen heeft een hoge vochttoeslag (5.50%) maar lijkt toch het verloop van deze tweede groep te volgen.We herinneren eraan dat FC1001 2% koolstofvezels bevat. Deze vezels zijn geleidend en kunnen de reden zijn van dit afwijkend gedrag. We stellen als hypothese dat de invloed van water vermindert als geleidende vezels aanwezig zijn. Alles hangt natuurlijk ook samen met de manier waarop deze verschillende koolstofvezels contact kunnen maken in de weefselstructuur. Voor de variantie-analyse wordt dit substraat dan ook op zichzelf beschouwd. Het is interessant om verder te onderzoeken of deze hypothese gegrond is, door bijvoorbeeld dit onderzoek te herhalen voor een gelijkaardig substraat zonder koolstofvezels en voor een substraat met een kleine fractie andere geleidende vezels.


84

We passen nu een ANOVA toe op ∆ǫr , de toename van ǫr ten opzichte van de waarde voor rH = 10%. Wanneer we dit doen voor alle materialen tezamen, kunnen we besluiten dat ǫr van de materialen significant van elkaar verschillen (P = 2.42 E-49 < 0.05) en dat interactie optreedt (P = 7.83 E-37 < 0.05). Wanneer we de variantie-analyse echter uitvoeren op de groepen 1 en 2 afzonderlijk, bekomen we de P-waarden weergegeven in Tabel 5.22. Groep 1

Groep 2

Materialen

0.00036267

0.00210585

Interactie

0.27317684

0.3676346

Tabel 5.22: P-waarden ANOVA

We zien dat voor beide groepen de P-waarde van de materialen kleiner is dan 0.05. Dit betekent dat ook binnen eenzelfde groep, ǫr van de materialen significant van elkaar verschillen, ongeacht de relatieve vochtigheid. De verschillen op de resultaten zijn dus niet te wijten aan het toeval. Figuur 5.25 laat ook zien dat ongeacht de relatieve vochtigheid, de ǫr -waarden voor APB1 consequent groter zijn dan deze van Katvlas, op zijn beurt consequent groter dan deze van Jeans. Daarnaast vinden we voor beide groepen dat de P-waarde van de interactie groter is dan 0.05, wat erop wijst dat er geen significante interactie is. Dit betekent dat de invloed van de relatieve vochtigheid voor materialen uit dezelfde groep globaal genomen gelijkaardig is. Dit is ook wat we konden vermoeden uit Figuur 5.25.

5.4.3

Kwadratische regressie

We gaan nu op zoek naar een trend in de resultaten die we bekomen hebben. Hiervoor zetten we (a) de bekomen resonantiefrequentie fr uit in functie van de relatieve vochtigheid rH en (b) de berekende relatieve permittiviteit ǫr in functie van rH. Voor de verschillende substraten is dit weergegeven in de Figuren 5.26, 5.27, 5.28, 5.29, 5.30 en 5.31. We merken op dat de frequentie inderdaad daalt met stijgende ǫr , zoals reeds vele malen vermeld in dit werk. Het type lijn waarmee het verband wordt uitgezet is voor een bepaald prototype hetzelfde in de beide deelfiguren (a) en (b), zodat we ook kunnen opmerken dat de hoogste fr -waarden overeenkomen met de laagste ǫr -waarden. Blijkbaar treedt een vrij vast stramien op. We vermoeden telkens dat beide deelfiguren (a) en (b) met een parabolisch verband kunnen benaderd worden. Voor de substraten APB1, FC1001, Katvlas, Jeans en Urecom is dit duidelijk te zien in de figuren. Bij het materiaal Fleece is dit verband echter niet af te leiden uit de curve.


2.5

2.5 Relatieve Permittiviteit !r

Resonantiefrequentie fr [GHz]

2.6

Prototype 3 Prototype 4 Prototype 6

2.45

85

2.4 2.35 2.3 2.25 2.2

2.4 2.3 2.2 2.1 2

2.15


1.9 0

20

40 60 Relatieve Vochtigheid rH [%]

80

100

0

20


80

100

(a) Resonantiefrequentie in functie van relatieve (b) Relatieve permittiviteit in functie van relatieve vochtigheid vochtigheid

Figuur 5.26: Trend APB1

2.7 2.65

1.85 1.8 Relatieve Permittiviteit !r


1.9


2.6 2.55 2.5 2.45

1.75 1.7 1.65 1.6 1.55

2.4


1.5

2.35

1.45 0

20


80

100

0

20


80

100


2.55

1.3

2.5



Figuur 5.27: Trend FC1001

2.45

2.4

2.35

2.3

0

20


80

1.15 1.1 1.05 1


2.25

1.2


0.95 100

0

20


80

100


Figuur 5.28: Trend Fleece


2.6



2.2


2.55

86

2.5 2.45 2.4 2.35 2.3

2 1.9 1.8 1.7 1.6

2.25


1.5 0

20


80

100

0

20


80

100


Figuur 5.29: Trend Katvlas

2.6

2

2.5

Relatieve permittiviteit !r


2.1


2.55

2.45 2.4 2.35 2.3

1.9

1.8

1.7

1.6

2.25 2.2


1.5 0

20


80

100

0

20


80

100


Figuur 5.30: Trend Jeans

2.52


1.32 1.3 Relatieve Permittiviteit !r


2.5

2.48

2.46

2.44

1.28 1.26 1.24 1.22 1.2

2.42


1.18 2.4 0

20


80

100

0

20


80

100


Figuur 5.31: Trend Urecom


87

We passen nu kwadratische regressie toe voor de verschillende substraten op de relatie tussen ǫr en rH. De resultaten zijn weergegeven in Tabel 5.23. Hierbij worden de coëfficiënten van de kwadratische vergelijking y = a x2 + b x + c gegeven, telkens met bijbehorende P-waarde en de determinatiecoëfficiënt R2 .

a

P-waarde a

b

P-waarde b

c

P-waarde c

R2

APB1

6.10E-5

0.0176

-0.00149

0.470

2.073

4.655E-9

0.992

Katvlas

7.71E-5

0.00154

-0.00261

0.120

1.650

3.193E-9

0.979

Jeans

6.46E-5

0.00127

-0.00179

0.173

1.619

9.925E-10

0.984

FC1001

1.20E-5

0.0253

0.000498

0.276

1.646

1.877E-12

0.983

Fleece

-2.36E-6

0.547

0.000528

0.214

1.169

8.556E-12

0.731

Urecom

8.13E-6

0.0567

7.817E-5

0.832

1.207

4.598E-12

0.958

Tabel 5.23: Resultaten Kwadratische Regressie

De determinatiecoëfficiënt R2 is voor alle substraten bijna 1, behalve voor Fleece. We kunnen dus besluiten dat er een zeer goede overeenkomst is tussen de data en de kwadratische regressielijn. Voor de P-waarden van b geldt telkens: P > 0.05, voor deze van c geldt telkens: P < 0.05. Dit betekent dat b significant is en c niet. De coëfficiënt a is enkel significant voor de substraten APB1, Katvlas, Jeans en FC1001, dus de substraten met een hoge vochttoeslag. We kunnen hier met een grote zekerheid zeggen dat het verband kwadratisch is. Voor de subtraten Fleece en Urecom geldt voor a: P > 0.05 zodat a dus hier niet significant is en de kans groot is dat a toch 0 is. Hier kan dus toch een lineair verband bestaan. De vergelijking van de regressielijn is de vergelijking van een parabool y = a x2 + b x + c. Hoe kleiner de coëfficiënt a, hoe breder de parabool zal zijn. We verwachten een bredere parabool naarmate dat de vochttoeslag van het materiaal lager is. In Figuur 5.32(a) zijn deze a-coëfficiënten van de verschillende materialen uitgezet in functie van hun vochttoeslag. Hierbij is duidelijk dat het punt van FC1001 een uitschieter is. Dit zou, zoals we hiervoor reeds vermeld hebben, te maken kunnen hebben met de aanwezigheid van de geleidende koolstofvezels, die de invloed van het water verminderen. Wanneer we het punt voor het substraat FC1001 buiten beschouwing laten (Figuur 5.32(b)) en hierop lineaire regressie toepassen, vinden we dat het verband tussen de vochttoeslag van het materiaal en zijn a-coëfficiënt in de regressielijn, lineair is. De determinatiecoëfficiënt R2 voor deze regressie is 0.9646, wat dus wijst op een goede regressie.

88

8e-005

8e-005

6e-005

6e-005

4e-005

4e-005

a

a


2e-005

2e-005

0

0 Lineair verband 0

2

4 6 Vochttoeslag [%]

8

10

0

2

4 6 Vochttoeslag [%]

8

10

(a) Regressie-coëfficiënt a in functie van de vocht- (b) Lineair verband tussen de regressie-coëfficiënt toeslag a en de vochttoeslag

Figuur 5.32: Verband regressie-coëfficiënt a en vochttoeslag

Hoofdstuk 6

Besluit De doelstelling van dit werk was het onderzoek naar de invloed van de vochtigheid op de werking van textielantennes. In het kader van deze scriptie werden daartoe vooreerst textielantennes ontworpen en geproduceerd met behulp van verschillende substraten. De textielantennes waarvan sprake zijn microstrip patch antennes, die met hun vlakke meerlagenstructuur zeer geschikt zijn om ge¨ıntegreerd te worden in kledij. Ze werden ontworpen met de veldsimulator Advanced Design System. Om deze antennes te realiseren, werden zes substraten gebruikt: twee ervan bestaan uit synthetisch materiaal (FC1001 en Fleece), één is een mengsel van een natuurlijk en een synthetisch materiaal (APB1), twee substraten bestaan voor 100% uit natuurlijke materialen (Katvlas en Jeans) en één is een synthetisch schuim (Urecom). Op deze manier creëerden we een variatie van substraten met verschillende en uiteenlopende waarden voor de vochttoeslag. Deze vochttoeslag is een parameter die een maat geeft voor de hoeveelheid water die door het materiaal kan worden vastgehouden. Natuurlijke materialen hebben over het algemeen een grotere vochttoeslag dan synthetische materialen. De waarde van deze parameter is echter niet enkel afhankelijk van de chemische achtergrond van de materialen maar ook van de structuur van het substraat. We maken hier onderscheid tussen weefsels, pile structuren en schuimen. De geproduceerde antennes werden nadien in een klimakast gebracht, waar ze bij een specifieke relatieve vochtigheidsgraad gedurende minimaal 24 uur klimatiseerden. Na deze klimatisatie werd telkens de reflectiecoëfficiënt van de antennes onmiddellijk opgemeten met de Vector Network Analyzer. Op deze manier verkregen we een duidelijk beeld van de optredende veranderingen afhankelijk van de vochtigheidsgraad. Voor dit onderzoek werden twee reeksen metingen uitgevoerd, namelijk één bij de relatieve vochtigheidsgraden van 10, 20, 40, 60 en 80% en één bij 10, 30, 50, 70 en 90% en dit telkens bij een temperatuur van 23℃. Vervolgens werden de resultaten van deze twee reeksen metingen samengebracht. Een eerste conclusie die hieruit kan worden getrokken is dat de substraten met de grootste vochttoeslag ook deze zijn waarbij de antennes de meeste invloed ondervinden van de vochtigheid. Dit is

89

Hoofdstuk 6. Besluit

90

een besluit dat vrij intu¨ıtief kan worden ingezien. Fleece en Urecom die een lage vochttoeslag hebben, ondervinden weinig of geen invloed van de vochtigheid. Daarnaast werd bij de vochtigheidsgevoelige substraten geconstateerd dat de relatieve vochtigheid een dubbele invloed heeft op deze antennes. Enerzijds verschuift de resonantiefrequentie naar lagere frequenties naarmate dat de vochtigheidsgraad toeneemt en anderzijds treden daarbij meer diëlektrische verliezen op. In de literatuur staat de Clausius-Mossotti-formule beschreven die de relatieve permittiviteit geeft van een homogene stof waarin een bepaalde hoeveelheid van een andere stof is opgenomen. Voor dit onderzoek willen we een analoge formule vinden waarin de opgenomen stof water is en het homogene materiaal een substraat. Dit model is echter een te ruwe benadering van de werkelijkheid en het is voor geen enkel in dit werk beschouwd substraat geldig. We vinden echter wel voor de substraten een lineair verband tussen de relatieve permittiviteit van het mengsel (substraat - water) ǫmix en de volumefractie van water in de antenne fV . Daarnaast hebben we een statistische analyse uitgevoerd om enerzijds na te gaan of de verschillende materialen op een analoge manier op een verandering van de relatieve vochtigheid reageren (variantie-analyse) en om anderzijds een trend in de resultaten te zoeken (regressie). Hieruit kan besloten worden dat de substraten APB1, Katvlas en Jeans op dezelfde manier reageren op een verandering van de relatieve vochtigheid. Het verband tussen de relatieve permittiviteit en de relatieve vochtigheid voor deze substraten is parabolisch. Voor de substraten Fleece en Urecom wordt ook gevonden dat de invloed van de vochtigheid binnen deze groep volgens eenzelfde patroon verloopt. Het substraat FC1001 wordt apart beschouwd. Dit substraat bevat geleidende koolstofvezels waarvan we verwachten dat ze de invloed van de vochtigheid verminderen.

Bibliografie [1] C. Hertleer, F. De Clerq, A. Tronquo, H. Rogier, and L. Van Langenhove. Design of textile antennas for smart clothing. Proceedings of the AUTEX Conference, Raleigh, NC, USA, June 2006. [2] C. Hertleer, H. Rogier, and L. Van Langenhove. Antennas for wireless body area networks, made out of textile materials. International Conference Futurotextiles, Lille, France, pages 8–14, November 2006. [3] A. Tronquo, H. Rogier, C. Hertleer, and L. Van Langenhove. Applying textile materials for the design of antennas for wireless body area networks. Proceedings of the European Conference on Antennas and Propagation, EUCAP 2006, Nice, France, page 159, November 2006. [4] Prof. Dr. ir. L. Van Langenhove. Functional textile materials. Universiteit Gent (Department of Textiles), February 2006. [5] A. Tronquo. Ontwerp van wearable antennes uit textiematerialen. Master’s thesis, Universiteit Gent, 2006. [6] W. Vandendriessche. Ontwerp van een wearable GPS-antenne uit textielmaterialen. Master’s thesis, Universiteit Gent, 2007. [7] S. Park, K. Mackenzie, and S. Jayaraman. The Wearable Motherboard: A Framework for Personalized Mobile Information Processing (PMIP). New Orleans, Louisiana, USA, June 2002. [8] The Georgia Tech Wearable Motherboard™: The Intelligent Garment for the 21st Century, http://www.gtwm.gatech.edu. [9] Website Sensatex: http://www.sensatex.com./smartshirt.html. [10] I. Locher. Technologies for System-on-Textile Integration. PhD thesis, Swiss Federal Institute of Technology Zurich, 2002–2005. [11] Website VivoMetrics: http://www.vivometrics.com/.

91

Bibliografie

92

[12] R. Puers, M. Catrysse, B. Hermans, L. Van Langenhove, C. Hertleer, D. Matthys, H. van Egmond, A. Kalmar, M. Struys, and P. Speleers. A Smart Suit For The Monitoring Of Physiological Parameters. [13] C. Hertleer, M. Grabowska, L. Van Langenhove, M. Catrysse, B. Hermans, R. Puers, A. Kalmar, H. V. Egmond, and D. Matthys. Towards a smart suit. Wearable Electronic and Smart Textiles, Leeds, UK, June 2004. [14] Verhaert. Mamagoose: Sudden Infant Death Syndrome Monitor. http://www.verhaert. com/cms/images/stories/pdf in text/verhaert mamagoose.pdf. [15] Website ProeTEX-project: http://www.proetex.org/. [16] C. Hertleer, L. Van Langenhove, H. Rogier, and L. Vallozzi. A Textile Antenna for Fire Fighter Garments. [17] C. Hertleer, , H. Rogier, and L. Van Langenhove. A Textile Antenna for Protective Clothing. Antennas and Propagation for Body-Centric Wireless Communications, IET Seminar, pages 44–46, April 2007. [18] Website Cluster SFIT-projecten: http://www.csem.ch/sfit/. [19] Website STELLA-project: http://www.stella-project.de/. [20] Website BIOTEX-project: http://www.biotex-eu.com/. [21] Website ConText-project: http://www.context-project.org/. [22] Context newsletter 2, May 2007. [23] Website MyHeart-project: http://www.hitechprojects.com/euprojects/myheart/. [24] Website OFSETH-project: http://www.ofseth.org/. [25] Website MERMOTH-project: http://www.mermoth.org/. [26] Prof. dr. ir. H. Rogier. Antennas and Propagation. Ghent University (INTEC), December 2006. [27] D. Orban and G. J. K. Moernaut. The basics of patch antennas. Orban Microwave Products, 2005. [28] R. A. Serway and Jr. J. W. Jewett. Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. Thomson Brooks/Cole, 6th edition, 2004. [29] C. Hertleer, A. Tronquo, H. Rogier, L. Vallozzi, and L. Van Langenhove. Aperture-Coupled Patch Antenna for integration into wearable textile systems. Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE, 6:392–395, 2007.

Bibliografie

93

[30] M. Klemm, I. Locher, and G. Tröster. A Novel Circularly Polarized Textile Antenna for Wearable Applications. Proceedings of 7t h European Microwave Week, Amsterdam, The Netherlands, pages 137–140, October 2004. [31] C. Hertleer, A. Tronquo, H. Rogier, and L. Van Langenhove. The use of textile materials to design wearable microstrip patch antennas. accepted for publication in Textile Research Journal, December 2006. [32] T. S. P. See and Z. N. Chen. Effects of Human Body on Performance of Wearable PIFAs and RF Transmission. Antennas and Propagation Society International Symposium, IEEE, 1B:686–689, 2005. [33] M. R. Kamarudin, Y. I. Nechayev, and P. S. Hall. Performance of Antennas in the OnBody Environment. Antennas and Propagation Society International Symposium, IEEE, 3A:475–478, July 2005. [34] A. Cai and Z. N. Chen. Characterization of Printed UWB Antennas in Proximity of Human Head. Antennas and Propagation Society International Symposium, IEEE, 1B:698–701, 2005. [35] Y. I. Nechayev, P. S. Hall, C. C. Constantinou, Y. Hao, A. Alomainy, R. Dubrovka, and C. G. Parini. On-body Path Gain Variations with Changing Body Posture and Antenna Position. Antennas and Propagation Society International Symposium, IEEE, 1B:731–734, 2005. [36] F. Declercq. Optimale voorspelling van het gedrag van planaire antennes in het microgolfbereik door voorafgaande karakterisatie van de substraatparameters en van de voedingsstructuur. Master’s thesis, Universiteit Gent, 2005. [37] D. M. Pozar. Microwave Engineering, chapter 5, Microwave Network Analysis. Addison Wesley, Massachusetts, 1990. [38] R. Shaw, B. R. Long, D. H. Werner, and A. Gavrin. The Radio Frequency Characterization of Conductive Textile Materials: A Preliminary Step for Accurate Antenna Modeling. Antennas and Propagation Society International Symposium, IEEE, 4B:431–434, July 2005. [39] Y. Ouyang, E. Karayianni, and W. J. Chappell. Effect of Fabric Patterns on Electrotextile Patch Antennas. Antennas and Propagation Society International Symposium, IEEE, 2B:246–249, July 2005. [40] Website Laird Technologies: flectronconductivefabric.asp.

http://www.lairdtech.com/pages/products/emi-

[41] Prof. dr. P. Kiekens. Vezelmaterialen. Universiteit Gent (Vakgroep Textielkunde), 2006. [42] H. Hart, L. E. Craine, and D. J. Hart. Organic Chemistry A Short Course. Houghton Mifflin Company (Boston New York), eleventh edition, 2003.

Bibliografie

94

[43] Prof. dr. P. Kiekens. Geavanceerde Vezels en afgeleide Materialen. Universiteit Gent (Vakgroep Textielkunde), 2005. [44] Beschrijving ISO TR 6741-4 (1987). [45] Beschrijving NBN 847 (1970). [46] S. Van Damme. Nondestructive Evaluation of the Fiber Content in Steel Fiber Reinforced Concrete by Means of Microwaves. PhD thesis, University Ghent, 2006. [47] M. Chaplin. Water Dielectric and Microwave Radiation, May 2005.

Lijst van figuren 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10

WAN en LAN . . . . . . . . . . . . . . . Concept BAN en LAN . . . . . . . . . . Wearable Motherboard . . . . . . . . . . Draadloos communicatiesysteem rond de LifeShirtr Clinical System . . . . . . . IntelliTex Suit . . . . . . . . . . . . . . Mamagoose Pyjama . . . . . . . . . . . Prototypes ProeTEX . . . . . . . . . . . Het geheel . . . . . . . . . . . . . . . . . Civilian band . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

6 7 8 9 10 11 12 13 14 14

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9

Elektromagnetische golf . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektromagnetisch spectrum . . . . . . . . . . . . . . . Een microstrip patch antenne . . . . . . . . . . . . . . Fringing fields zorgen voor uitstraling van de antenne Een device met één poortvlak . . . . . . . . . . . . . . Een device met twee poortvlakken . . . . . . . . . . . Polarisatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rechtshandige polarisatie . . . . . . . . . . . . . . . . Bandbreedte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

17 18 20 21 22 23 24 25 27

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11

Het nominale design in het layout window Parameter Sweep voor L . . . . . . . . . . Schematic Window . . . . . . . . . . . . . Structuurformule Nylon . . . . . . . . . . Structuurformule Cellulose . . . . . . . . . Structuurformule Aromatisch Polyamide . Structuurformule Polyethyleentereftalaat . Weefselstructuur Fleece . . . . . . . . . . Structuurformule Polyurethaan . . . . . . Simulatie en prototypes 1 en 2 APB1 . . . Exacte afmetingen prototype 1 APB1 . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

30 31 32 36 36 37 38 38 39 41 43

95

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . SmartShirt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

Lijst van figuren

96

4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21 4.22 4.23

Exacte afmetingen prototype 2 APB1 . . . . . . . . . . . . Parametersweep voor dimensie L . . . . . . . . . . . . . . . Simulatie en prototypes 3, 4, 5 en 6 APB1 . . . . . . . . . . Simulatie en prototypes 1, 2, 3 en 4 FC1001 . . . . . . . . . Simulaties en prototypes 1 en 2 Fleece . . . . . . . . . . . . Simulaties en prototypes 1, 2 en 3 Katvlas . . . . . . . . . . Simulatie en prototypes 1, 2 en 3 Jeans . . . . . . . . . . . Simulatie en prototypes 7, 8 en 9 Jeans . . . . . . . . . . . Simulatie en prototype 1 Urecom . . . . . . . . . . . . . . . Simulatie en prototypes 2, 3, 4, 5 en 6 Urecom . . . . . . . Simulatie en prototypes 1 en 2 Azzuri Mousse . . . . . . . . Optimalisatie, simulatie en prototypes 3 en 4 Azzuri Mousse

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 53

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14 5.15 5.16 5.17 5.18 5.19 5.20 5.21 5.22 5.23 5.24 5.25 5.26 5.27 5.28

Invloed van de vochtigheid APB1 prototype 3: Reflectiekarakteristieken . Invloed van de vochtigheid APB1 prototype 4: Reflectiekarakteristieken . Invloed van de vochtigheid APB1 prototype 6: Reflectiekarakteristieken . Invloed van de vochtigheid FC1001 prototype 1: Reflectiekarakteristieken Invloed van de vochtigheid FC1001 prototype 3: Reflectiekarakteristieken Invloed van de vochtigheid FC1001 prototype 4: Reflectiekarakteristieken Invloed van de vochtigheid Fleece prototype 1: Reflectiekarakteristieken . Invloed van de vochtigheid Fleece prototype 2: Reflectiekarakteristieken . Invloed van de vochtigheid Fleece prototype 14: Reflectiekarakteristieken Invloed van de vochtigheid Katvlas prototype 1: Reflectiekarakteristieken Invloed van de vochtigheid Katvlas prototype 2: Reflectiekarakteristieken Invloed van de vochtigheid Katvlas prototype 3: Reflectiekarakteristieken Invloed van de vochtigheid Jeans prototype 7: Reflectiekarakteristieken . Invloed van de vochtigheid Jeans prototype 8: Reflectiekarakteristieken . Invloed van de vochtigheid Jeans prototype 9: Reflectiekarakteristieken . Invloed van de vochtigheid Urecom prototype 2: Reflectiekarakteristieken Invloed van de vochtigheid Urecom prototype 3: Reflectiekarakteristieken Invloed van de vochtigheid Urecom prototype 6: Reflectiekarakteristieken APB1: Lineair verband tussen ǫmix en fV . . . . . . . . . . . . . . . . . . FC1001: Lineair verband tussen ǫmix en fV . . . . . . . . . . . . . . . . . Fleece: Verband tussen ǫmix en fV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Katvlas: Lineair verband tussen ǫmix en fV . . . . . . . . . . . . . . . . . Jeans: Lineair verband tussen ǫmix en fV . . . . . . . . . . . . . . . . . . Foam: Lineair verband tussen ǫmix en fV . . . . . . . . . . . . . . . . . . Invloed van rH op ǫr voor de verschillende substraten . . . . . . . . . . . Trend APB1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trend FC1001 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trend Fleece . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 78 79 79 80 80 81 83 85 85 85

Lijst van figuren

5.29 5.30 5.31 5.32

Trend Katvlas . . . . . . . . Trend Jeans . . . . . . . . . Trend Urecom . . . . . . . . Verband regressie-coëfficiënt

97

. . . a

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . en vochttoeslag

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

86 86 86 88

Lijst van tabellen 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17

Karakteristieken APB1 . . . . . . . . . . . . . . . . . Karakteristieken FC1001 . . . . . . . . . . . . . . . . . Karakteristieken Fleece . . . . . . . . . . . . . . . . . Karakteristieken Katvlas . . . . . . . . . . . . . . . . . Karakteristieken Jeans . . . . . . . . . . . . . . . . . . Karakteristieken Urecom . . . . . . . . . . . . . . . . . Karakteristieken Azzuri Mousse . . . . . . . . . . . . . Afmetingen prototypes 1 en 2 . . . . . . . . . . . . . . Exacte afmetingen prototypes 1 en 2 APB1 . . . . . . Afmetingen prototypes 3, 4, 5 en 6 APB1 . . . . . . . Afmetingen prototypes 1, 2, 3 en 4 FC1001 . . . . . . Afmetingen prototypes 1 - 15 Fleece . . . . . . . . . . Geoptimaliseerde afmetingen en afmetingen prototypes Afmetingen prototype 1 Urecom . . . . . . . . . . . . Afmetingen prototypes 2, 3, 4, 5 en 6 Urecom . . . . . Afmetingen prototype 1 en 2 Azzuri Mousse . . . . . . Afmetingen prototype 3 en 4 Azzuri Mousse . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

37 38 38 39 39 40 40 41 42 45 46 47 48 50 51 52 53

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14

Vochttoeslag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schematische voorstelling van de structuur van de substraten . . . . . . . Invloed van de vochtigheid APB1 prototype 3: Substraateigenschappen . Invloed van de vochtigheid APB1 prototype 4: Substraateigenschappen . Invloed van de vochtigheid APB1 prototype 6: Substraateigenschappen . Invloed van de vochtigheid FC1001 prototype 1: Substraateigenschappen Invloed van de vochtigheid FC1001 prototype 3: Substraateigenschappen Invloed van de vochtigheid FC1001 prototype 4: Substraateigenschappen Invloed van de vochtigheid Fleece prototype 1: Substraateigenschappen . Invloed van de vochtigheid Fleece prototype 2: Substraateigenschappen . Invloed van de vochtigheid Fleece prototype 14: Substraateigenschappen . Invloed van de vochtigheid Katvlas prototype 1: Substraateigenschappen Invloed van de vochtigheid Katvlas prototype 2: Substraateigenschappen Invloed van de vochtigheid Katvlas prototype 3: Substraateigenschappen

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

55 56 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69

98

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1, 2 en 3 Katvlas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Lijst van tabellen

5.15 5.16 5.17 5.18 5.19 5.20 5.21 5.22 5.23

Invloed van de vochtigheid Jeans prototype 7: Substraateigenschappen . . Invloed van de vochtigheid Jeans prototype 8: Substraateigenschappen . . Invloed van de vochtigheid Jeans prototype 9: Substraateigenschappen . . Invloed van de vochtigheid Urecom prototype 2: Substraateigenschappen Invloed van de vochtigheid Urecom prototype 3: Substraateigenschappen Invloed van de vochtigheid Urecom prototype 6: Substraateigenschappen Volumefracties water in de antennes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P-waarden ANOVA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resultaten Kwadratische Regressie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

99

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

70 71 72 73 74 75 77 84 87

Invloed van de Relatieve Vochtigheid op de Werking van Textielantennes. Annelien Van Laere

Recommend Documents