Textil-Dual | Chongqing BoldBridge Technologies Group

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 5613 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Es wird ein ursprünglicher, vollständig textiler Kombinierer vorgeschlagen, um körpernahe Sensoren mit nur einer zentralen Energiequelle wie beispielsweise einem Smartphone mit Strom zu versorgen. Es wird eine Lösung bereitgestellt, um den Anforderungen eines industriellen Produktionsprozesses Rechnung zu tragen, die darauf abzielen, Nadelbewegungen während eines Stickvorgangs zu minimieren. Darüber hinaus zeigt das Papier, wie mehrere Standards für die drahtlose Energieübertragung unterstützt werden können, die bereits existieren, z. B. NFC und A4WP, oder die existieren werden, um den enormen Energiebedarf verteilter Systeme im IoT-Bereich zu decken. In diesem Artikel wird ein neues textilbasiertes flexibles drahtloses System vorgeschlagen, das Kommunikation und Energiegewinnung ermöglicht. Analytische, numerische und experimentelle Studien wurden durchgeführt, um zu zeigen, dass die Struktur zwei Resonanzfrequenzen bei 6,8 MHz und 13,6 MHz aufweist, wodurch sie für NFC- und A4WP-Standards geeignet ist. Darüber hinaus betragen die systembedingten Verluste 2,76 dB bzw. 1,91 dB für A4WP und NFC. Die Ergebnisse werden nacheinander präsentiert, um die Besonderheiten solcher Textil-Mehrspulenkombinatoren hervorzuheben. Es wird eine Methode zur Erzielung einer Resonanzstruktur ohne feste elektronische Komponenten erläutert.

Die jüngste Entwicklung vernetzter Textilien ermöglicht den Anstieg der Daten- und Energieübertragung innerhalb der Kleidung. Tatsächlich benötigen die in unserem Stoff eingebetteten Sensoren eine Stromversorgung, um zu funktionieren und Daten zu übertragen. Die Nahfeldkommunikationstechnologie (NFC) ist eine Lösung für zentralisierte Energiequellen und Datenspeicherung, insbesondere mit der Verbesserung der Batterie- und Speicherkapazität. Fortschritte in der Elektronik haben bereits die Nutzung der drahtlosen Energieübertragung (WPT) zwischen tragbaren Kleingeräten und Smartphones mit NFC-Technologie ermöglicht1,2. Einige kleine IoT-Geräte wie physiologische Sensoren müssen möglicherweise manchmal nur mit Strom versorgt werden, möglicherweise durch eine von der A4WP (Alliance for Wireless Power) standardisierte Technologie, die kürzlich in Airfuel (Air Fuel Alliance) umbenannt wurde, da sie weiß, dass die Qi-Technologie eine Alternative ist Standard, der bereits auf dem Markt verfügbar ist3,4,5. Die letztgenannte Technologie wurde in der vorliegenden Arbeit nicht beibehalten, da sie bei sehr schwachen Frequenzen um 300 kHz läuft, was ihre Verwendung auf perfekt ausgerichtete und identische Antennen für Sender und Empfänger in der Nähe des Kombinierers beschränken würde. Weiterhin ist zu beachten, dass die Frequenz des A4WP-Standards genau die Hälfte der NFC-Frequenz beträgt.

Für die Stromversorgung von E-Textilien können zahlreiche Energiequellen genutzt werden, doch Smartphones sind heute mit NFC-Antennen ausgestattet und können große Datenmengen speichern, verarbeiten und versenden. Dadurch sind sie besonders an die Stromversorgung angepasst und verbinden smarte Textilien mit einem anderen Netzwerk. Beispielsweise wurde ein Energieübertragungssystem entwickelt, um intelligente Textilien mit mechanischer Energie von Fahrrädern zu versorgen6. Jiang et al. haben außerdem eine textile NFC-Antenne mit versilberten Garnen entwickelt, die auch bei Beugung Daten übertragen kann7. In jüngerer Zeit haben Rongzhou Lin et al. haben auch eine Studie veröffentlicht, in der ein integriertes textiles NFC-Übertragungssystem vorgestellt wird, das auf ein Kleidungsstück gestickt ist8. Ziel ist es, physiologische Parameter in Echtzeit nomadisch zu überwachen, beispielsweise beim Laufen. Allerdings benötigt das Gerät zum Betrieb einige starre elektrische Komponenten und seine Betriebsfrequenz ist nicht auf 13,56 MHz eingestellt. Eine weitere Studie zu textilen NFC-Antennen konzentrierte sich auf den Resonanzfrequenzaspekt9. Es zeigt, dass die gestickte Antenne nur mit textilen Materialien und Verfahren realisiert werden kann und ihre Resonanzfrequenz an die NFC-Technologie angepasst werden kann. Schließlich können durch die Verbindung mehrerer Textilantennen neue Geräte, sogenannte „Kombinatoren“, entstehen, die die Übertragung eines 13,56-MHz-Magnetfelds durch eine Textiloberfläche ermöglichen10. Leider enthält diese Art von Struktur einen Lötpunkt zum Schließen des Stromkreises, was zu einer Schwachstelle im Gerät führt. Es gibt auch textile Nahfeld-Mehrkörper-Netzwerkstrukturen, die für die Kommunikation am Körper verwendet werden und aus Metamaterialien bestehen, die aus Arrays diskreter, anisotroper magnetinduktiver Elemente bestehen11. Im Gegensatz zu den Ergebnissen, die in jüngsten Artikeln zu diesem Thema veröffentlicht wurden, beweist unsere Arbeit die Möglichkeit, über zwei verschiedene drahtlose Standards (NFC und A4WP) ohne herkömmliche elektronische Komponenten zu kommunizieren und Energie zu übertragen. Für die Konstruktion und Herstellung der Antenne und des Combiners werden ausschließlich textile Materialien und Verarbeitungstechniken verwendet.

Gegenüber dem bisherigen Aufbau10 wurde die Lötstelle durch einen Textilkondensator ersetzt. Zunächst zeigt eine theoretische Untersuchung der Struktur das Vorhandensein zweier Resonanzfrequenzen auf, die von der Eigenresonanz der Antenne bzw. dem Wert der neuen Textilkapazität abhängen. Zweitens wurden Simulationen durchgeführt, um die elektrischen Reaktionen der Struktur zu bewerten. Drittens wurde der Transmissionskoeffizient S21 gemessen, um die experimentellen Resonanzfrequenzen zu identifizieren. Schließlich wurde eine praktische Anwendung als Proof of Concept realisiert.

Der textile Dualband-Kombinator (NFC-A4WP) ermöglicht die Übertragung von Energie und Daten über Kleidung hinweg auf zwei verschiedenen Frequenzen, 13,56 MHz und 6,78 MHz, durch die Verwendung aufeinanderfolgender magnetischer Induktionskopplungen. Das Gerät besteht aus mehreren Antennen, die als Sender oder Empfänger verwendet werden können. Alle Antennen sind identisch und bestehen aus einer 40-mm-Spule mit 10 Windungen, die mit einer 130-mm-Übertragungsleitung verbunden ist, wie in Abb. 1a, b dargestellt. Sie sind symmetrisch verbunden, um mit einem Stickvorgang einen Stromkreis zu bilden, der aus einer einzigen Stromleitung besteht. Dem Stickanfang und -ende werden zwei aktuelle Linien mit variabler Länge hinzugefügt. Ein Bild und ein Diagramm des Geräts sind in Abb. 1c, d dargestellt. Die aktuelle Linie wird durch die Verwendung von drei überlappenden textilen leitfähigen Garnen Datatrans von Tibtech Company gebildet.

(a) Fotografie der Antenne und (b) ihr Diagramm. (c) Fotografie des Textil-Dualband-Kombinators (NFC-A4WP) mit zwei Antennen und (d) dessen Diagramm. Abbildung 1(b) und (d) wurden mit der Inkscape-Software v1.2.2 (https://inkscape.org/) erstellt.

Die elektrischen Eigenschaften der Antenne sind bereits aus früheren Studien bekannt9,10. Ein Textil-Dualband-Kombinator (NFC-A4WP) mit zwei dieser Antennentypen wurde als Prototyp entwickelt, um seine Übertragungskoeffizienten zu bewerten. Außerdem ist die Länge der Stromleitungen am Anfang und am Ende der Stickerei, die einen Abschnitt der parallelen Übertragungsleitung bilden, variabel, um ihren Einfluss auf die Resonanzfrequenzen und die Übertragungskoeffizienten zu untersuchen.

Der Textil-Dualband-Kombinator (NFC-A4WP) und seine elektrischen Diagramme sind in Abb. 2a, b dargestellt, mit L als Induktivität, C als Kapazität einer Antenne, R als Spulenwiderstand und r als Übertragungsleitungswiderstand . Copen ist die Kapazität des zusätzlichen Abschnitts der Übertragungsleitung mit offenem Ende, im Rest des Papiers AOETL genannt, wobei eine variable Länge den Anfang und das Ende der Stickerei bildet. Unter der Annahme, dass eine der Spulenantennen durch induktive Kopplung angeregt wird, kann die von der induzierten Spannungsquelle (in Abb. 2 nicht gezeigt) betrachtete Schaltungsimpedanz durch die Gleichung ausgedrückt werden. (1) wobei ω die Pulsation des Sinussignals und j die Quadratwurzel von − 1 ist.

(a) Der Zwei-Antennen-Textil-Dualband-Kombinator (NFC-A4WP), (b) sein elektrisches Diagramm und (c) eine Vergrößerung der Öffnungskapazität Copen. (d) Fall eines N-Spulen-Kombinators (Zellen), der induktiv erregt wird (induktive Spannungsquelle).

Obwohl Abb. 2b einen Kombinator mit zwei Spulen zeigt, liefert die folgende analytische Studie allgemeinere Gleichungen, die an einen Kombinator mit N Spulen (1 Eingang, (N-1) Ausgänge) angepasst sind, wie in Abb. 2d dargestellt. Jede Antenne wird durch eine Zelle mit den Parametern r, R, L und C modelliert, die bereits im Fall des 2-Spulen-Kombinators definiert sind. Die linke Antenne ist induktiv mit einem nicht gezeigten Sender gekoppelt, was zum Vorhandensein einer Spannungsquelle Vi führt. Somit ist die von der Quelle betrachtete Impedanz Zi durch die folgende Gleichung gegeben:

Die Resonanzbedingungen liegen vor, wenn der Imaginärteil der Impedanz verschwindet. Wenn die Copen-Kapazität mit einer Summe paralleler Resonanzkreise (Spulen) in Reihe geschaltet ist, kann sie zusätzlich zur anfänglichen Resonanz der Antennen eine neue Resonanzfrequenz erzeugen12, mit Ausnahme von zwei vereinfachten Szenarien, die analytisch untersucht wurden. Erstens der Fall, in dem die Schaltung nur bei der richtigen Frequenz jeder Antenne schwingt. Dann ist die Kapazität von Copen im Vergleich zu den Kapazitäten der spezifischen Antenne sehr gering. Dabei werden jeweils die Bedingungen hervorgehoben, die es ermöglichen, den Einfluss dieser Öffnung zu vernachlässigen. Sie werden erhalten, wenn die in den Stromkreis eingespeiste Impedanz im Vergleich zum Modul der Impedanz, mit Z' bezeichnet, der N-1 in Reihe geschalteten Antennen vernachlässigbar ist.

Die von Copen und den in Reihe geschalteten (N-1) Antennen bereitgestellte Impedanz wird jeweils durch die folgenden Ausdrücke angegeben:

Bei der Eigenresonanz des Schaltkreises (wenn N Antennen identisch sind) gilt \(LC\omega^{2} = 1\)So

Bei dieser Resonanzfrequenz gilt außerdem: \(\frac{1}{{C}_{open}\omega }=\frac{1}{{C}_{open}\frac{1}{\sqrt{ LC}}}=\frac{\sqrt{LC}}{{C}_{open}}\)

Copen hat keinen Einfluss auf den Wert der Resonanzfrequenz, wenn die zugehörige Impedanz weit unter dem Wert der Impedanz der gesamten (N-1) Antennen liegt. Das ist:

Aus dieser Bedingung ergibt sich folgende Anforderung:

In dem anderen speziellen Fall, in dem Copen neben der Antennenkapazität (\({C}_{offen} << C\)) extrem niedrig ist, wird die Gesamtimpedanz der Schaltung durch den folgenden Ausdruck angegeben, wobei ε der infinitesimale Wert von ist die äquivalente Impedanz der (N-1) Antennen.

Unter der Annahme, dass ε und Nr beide vernachlässigbar sind, ergibt sich die Impedanz Z durch den Ausdruck:

\(Z\ approx jL\omega +R+\frac{1}{jC\omega +j{C}_{open}\omega }=R+j\left[L\omega -\frac{1}{\left (C+{C}_{open}\right)\omega }\right]\) \(Z\ approx R+j\left(L\omega -\frac{1}{C\omega }\right)\) weil \({C}_{open} \ll C\)

Die Resonanz erscheint bei: \({f}_{0}=\frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}\)

Jeder Textil-Dualband-NFC-A4WP-Combiner wurde mit der GiSBac-Software entworfen und mit einer industriellen Stickmaschine JF-0215–495 der Firma ZSK hergestellt. Die Struktur wurde auf Baumwollstoff mit einem leitfähigen Datatrans-Garn der Tibtech Company als Unterfaden und einem Grundstrumpf-Baumwollgarn als Oberfaden realisiert. Die Stromleitung, aus der der Stromkreis besteht, besteht aus überlappenden leitfähigen Datatrans-Garnen.

Alle Charakterisierungen wurden unter den Bedingungen unseres Standardlabors bei einer Temperatur von 21 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 65 % durchgeführt. Der verwendete Vektornetzwerkanalysator war ein Agilent 8753S. Die Messung der Streuparameter wurde mithilfe einer Sonden-PCB-Antenne realisiert, die mit einem 1 m langen Koaxialkabel verbunden ist. Die verwendeten gedruckten Sondenspulenantennen haben einen mittleren Radius von 22 mm, eine Leiterbahnbreite von 0,6 mm und 8 Windungen. Sie wurden auf ein 1,6 mm dickes FR4-Substrat gedruckt. Die VNA-Kalibrierung wurde mit dem Koaxialkabel durchgeführt, um deren Einfluss auf die Ergebnisse zu unterdrücken. Ein Foto des Versuchsaufbaus zur S21-Parametermessung des Combiners sowie Diagramme der Direktübertragungs- und Combiner-Transmissionsmessungen sind in Abb. 3 dargestellt. Die Kartographie des elektromagnetischen Feldes wurde mit einem ScanPhone der Firma Luxondes erstellt.

(a) Foto des Versuchsaufbaus zur Parametermessung des Combiners S21. (b) Diagramm der direkten Übertragung zwischen den beiden Sonden. (c) Diagramm des Versuchsaufbaus zur S21-Parametermessung des Dualband-Kombinators. Abbildung 3(b) und (c) wurden mit Microsoft PowerPoint 2016 16.0.4266.1001 (https://www.microsoft.com/en-ca/microsoft-365/powerpoint) erstellt.

Die Simulationen wurden mit der Software LTspice durchgeführt. Alle konstanten Daten in diesen Simulationen stammen aus einer zuvor veröffentlichten Studie9. Der textile Dualband-Kombinator (NFC-A4WP) mit den elektrischen Eigenschaften zweier Antennen wurde ebenfalls simuliert, um unsere theoretischen Ergebnisse zu bestätigen. Die in der Simulation verwendeten Parameterwerte sind \(R=14,1 \Omega\), \(L=7,99 \mu H\), \(C=17,45 pF\). Diese Werte wurden in einem früheren Artikel9 ausgewählt und an eine textile NFC-Antenne mit 40 mm, 10 Windungen und 130 mm Übertragungsleitung angepasst. Die variable Kapazität \({C}_{open}\) wurde auf \(1 pF, 10 pF, 100 pF und 1000 pF\) festgelegt, um ihren Einfluss auf die zweite Resonanzfrequenz zu sehen. Ein fünfter Wert von \({C}_{open}=26 pF\) wurde ebenfalls ermittelt, um eine Dualband-Struktur hervorzuheben, die sowohl an NFC- als auch an A4WP-Standards angepasst ist. Abbildung 4 zeigt die Simulationsergebnisse des Stroms, der in der Induktivität einer Antenne fließt.

Simulationen des S21-Parameters des Dualband-Combiners für C open = [1pF, 10pF, 26pF, 100pF, 1000pF] von 1 bis 18 MHz (simulierte Werte von LTspice).

Diese Simulationen zeigen die Auswirkung der Öffnungskapazität auf das Auftreten einer zweiten Resonanzfrequenz in der Struktur. Tatsächlich bleibt die Resonanz bei der höchsten Frequenz, \({f}_{\mathrm{0,2}}=13,5 MHz\), fest und entspricht der Resonanzfrequenz der Antennen, aus denen der Kombinierer besteht. Im Gegensatz dazu ist die zweite Resonanzfrequenz \({f}_{\mathrm{0,1}}\) (beim niedrigeren Wert) vom Wert der Öffnungskapazität abhängig. Je höher der Wert ist, desto weiter ist die Resonanzfrequenz von \(13,5 MHz\) entfernt. Schließlich verschmelzen die Resonanzmaxima, wie die frühere analytische Entwicklung zeigt, wenn \({C}_{open}\) im Vergleich zur Kapazität einer Antenne (\(C\)) sehr klein ist. Dieser Fall tritt tendenziell in Abb. 3 auf, für Copen = 1 pF, der im Vergleich zum Wert von C = 17,45 pF klein zu werden beginnt.

Der Übertragungskoeffizient des 2-Spulen-Textil-Dualband-Combiners (NFC-A4WP) (Parameter S21) wurde gemessen, um seine Resonanzfrequenz entsprechend dem Wert der Öffnungskapazität \({C}_{open}\) zu bestimmen. Um diesen Wert zu ändern, wurde die Länge des AOETL in Abständen von 50 mm von 550 auf 250 mm reduziert. Abbildung 5a zeigt die Ergebnisse der S21-Parameter der Struktur zwischen zwei Antennen, die induktiv an jede Spule des Kombinators gekoppelt sind, wobei \({L}_{co}\) als AOETL-Länge definiert ist. Es wurde die Wahl getroffen, nichtresonante Sender- und Empfängerantennen zu verwenden, die später als „Sonden“ bezeichnet werden, um die Fähigkeit des Kombinierers allein zu charakterisieren, beide Frequenzen unter bestimmten Bedingungen zu übertragen. Ein Transmissionskoeffizienten-Peak drückt eine Resonanzfrequenz aus. Diese Ergebnisse verdeutlichen das Vorhandensein zweier Resonanzfrequenzen. Der erste, \({f}_{\mathrm{0,1}}\), ergibt sich aus der Öffnungskapazität und variiert entsprechend seinem Wert. Eine Länge von 250 mm von \({L}_{co}\) ermöglicht das Erreichen einer Resonanzfrequenz von 5,8 MHz. Die zweite Resonanzfrequenz \({f}_{\mathrm{0,2}}\) ist stabil und ihr Wert hängt von den Eigenschaften der Antenne (L und C) ab, in diesem Fall\({f}_{\mathrm {0,2}}=13,58 MHz\). Wenn der Wert von \({L}_{co}\)(d. h. der Wert der Öffnungskapazität) abnimmt, nähert sich die erste Resonanzfrequenz der zweiten an, wie aus der theoretischen Analyse und den Simulationen hervorgeht.

(a) Gemessener S21-Parameter des textilen Dualband-Kombinators mit einer Öffnungslänge \({L}_{co}\)(mm), die zwischen 250 und 550 mm variiert. (b) Der vom NFC-A4WP angepasste Textil-Dualband-Combiner hat den gemessenen und simulierten S21-Parameter von 0 bis 20 MHz angepasst. Die gemessenen Parameter S11 und S22. Die Standardfrequenzen A4WP und NFC sind hervorgehoben.

Diese Messungen haben es uns ermöglicht, die angepasste Länge des AOETL zu bestimmen, um eine Resonanzstruktur bei NFC- und A4WP-Frequenzen, also 13,56 MHz und 6,78 MHz, zu erzeugen. Der realisierte Prototyp besteht aus einer Öffnungslänge von 360 mm. Seine gemessenen und simulierten S21-Parameter sowie die gemessenen S11- und S22-Parameter, dargestellt in Abb. 5b, ergeben zwei Resonanzfrequenzen im A4WP- und NFC-Bereich: \({f}_{\mathrm{0,1}}=6,77 \mathrm{ MHz}\) und \({f}_{\mathrm{0,2}}=13,58 MHz\).

Bezüglich der Leistungsübertragungseffizienz wurde auch die direkte Übertragung S21 zwischen den beiden Sonden bei Überlagerung ohne die Combiner-Struktur gemessen, um den Einfluss des textilen Dualband-NFC-A4WP-Combiners auf die Leistungsübertragung zu bewerten. Als Referenzmaß gilt die Direktübertragung S21. Folglich sind die relativen Verluste \(L (dB)\), die von der Struktur bei ihren Resonanzfrequenzen erzeugt werden, die Differenz zwischen der Direktübertragung S21, direkt (dB), dargestellt in Abb. 3b, und dem Textilkombinator S21, Combiner ( dB), dargestellt in Abb. 3c. Die Werte des Übertragungskoeffizienten S21 (direkt und über den Combiner) und die relativen Verluste L (dB) bei 6,9 MHz und 13,58 MHz sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Ergebnisse zeigen relative Verluste von 2,76 dB und 1,91 dB beim ersten und 13,58 MHz zweite Resonanzfrequenzen. Folglich ermöglicht der textile Dualband-Kombinator (NFC-A4WP) trotz der aufeinanderfolgenden magnetischen Induktionskopplungen zwischen den beiden Sondenantennen eine Energieübertragung mit minimalen Verlusten.

Der Textil-Dualband-Kombinator (NFC-A4WP) zielt darauf ab, die Reichweite der NFC- und A4WP-Protokolle durch eine textile Oberfläche vollständig kontaktlos zu erhöhen. Allerdings muss die Emission des elektromagnetischen Feldes auf den spezifischen Bereich neben den textilen Materialien beschränkt werden.

Am Prototyp wurde eine Kartographie der elektromagnetischen Feldemissionen durchgeführt, um die Bereiche mit hoher Emission zu lokalisieren und die strukturellen Emissionsverluste zu bewerten, insbesondere entlang der Übertragungsleitungsabschnitte zwischen Spulen und dem sogenannten AOETL. Die Messung wurde mit einem ScanPhone von Luxondes13 durchgeführt. Der Textil-Dualband-Combiner wurde durch magnetische Induktion mit 13,56 MHz und 2 Vpp-Signalen von einem HF-Generator mit Strom versorgt. Die Messung der magnetischen Feldstärke wurde 20 mm über dem Prototyp durchgeführt. Die in Abb. 6 dargestellten Ergebnisse unterstreichen erwartungsgemäß zwei Bereiche mit hoher Emission, die sich auf beiden Spulen befinden. Die Kartographie zeigt auch geringe Emissionsverluste entlang der Übertragungsleitungsabschnitte des Bauwerks, bleibt aber begrenzt.

Kartographie elektromagnetischer Feldemissionen mit Textil-Dualband-Kombinator (NFC-A4WP).

Die textilen Dualband-Nahfeld-Mehrfachkombinatoren zielen darauf ab, die körperzentrierte Kommunikation zu verbessern, d. h. die Strom- und Datenübertragung zwischen einem Smartphone (Samsung A6 mit NXP TagInfo Android-Anwendung) und Körpersensoren (FreeStyle Libre, ein kontinuierlicher Überwachungssensor von Abott Diabetes) zu ermöglichen Pflege). Um die Machbarkeit des Geräts zu demonstrieren, wurde ein Proof of Concept durchgeführt. Die textilen Dualband-Nahfeld-Mehrfachkombinatoren wurden in Hosen integriert, um eine elektromagnetische Verbindung (Strom und Daten) zwischen einem Smartphone in der Tasche und einem Sensor für physiologische Parameter am Knöchel herzustellen. Abbildung 7 zeigt das komplette Gerät, den Sensor und die übertragenen Daten.

(a) Der Machbarkeitsnachweis des Textil-Dualband-Nahfeld-Mehrfachkombinierers, (b) die übertragenen Daten und (c) der Sensor.

Dieser Artikel befasst sich mit der Verwendung einer vollständig textilen Struktur, die darauf abzielt, durch induktive Resonanzkopplung Energie im Körper zu verteilen. Diese Energie kann von einem Gerät (z. B. einem Smartphone oder einer kabellosen Powerbank) stammen, das entweder die NFC- oder die A4WP-Technologie unterstützt. Die entwickelte Struktur schwingt bereits bei A4WP- und NFC-Standardfrequenzen (6,78 und 13,56 MHz), der Stickprozess ermöglicht jedoch eine große Flexibilität bei der Betriebsfrequenz. Tatsächlich hängt es von der Strukturgeometrie ab, wie in den vorherigen Gleichungen gezeigt. Das heißt, es ist möglich, durch Anpassung der Windungszahl, des Radius oder der Übertragungsleitungslänge einen textilen Combiner mit beliebigen Resonanzfrequenzen im MHz-Bereich zu entwickeln. Die gesamte Struktur kann gestickt werden, ohne dass die Nadel der verwendeten Industriemaschine angehoben werden muss. Dieser Vorgang ist außerdem wiederholbar und schnell (5 Minuten Produktionszeit für einen Prototyp). Folglich ist das vorgeschlagene Verfahren bereits für einen industriellen Zweck geeignet. Obwohl der Combiner mehrere Ausgangskopplungsantennen enthalten kann, ist der gezeigte Prototyp auf einen 2-Spulen-Antennencombiner beschränkt, der dazu dient, numerische Modellierungs- und Messergebnisse zu gewinnen, die das analytisch vorhergesagte Verhalten aufzeigen. Schließlich sind die durch die textilen Dualband-Nahfeld-Mehrfachkombinierer verursachten Verluste für RFID-Anwendungen akzeptabel, auch wenn sie reduziert werden können. Beispielsweise durch Arbeiten an der Impedanzanpassung.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationsdateien enthalten.

Park, J. et al. Eine reaktive Abschirmung für ein planares drahtloses Energieübertragungssystem in Smartphone-Anwendungen. IEEE Trans. Elektromagn. Kompat. https://doi.org/10.1109/TEMC.2016.2636863 (2017).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Song, M. et al. Drahtlose Energieübertragung, inspiriert von den modernen Trends in der Elektromagnetik. Appl. Physik. Rev. 4, 021102. https://doi.org/10.1063/1.4981396 (2017).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Cheng, L. et al. Ein einstufiger drahtloser 6,78-MHz-Leistungsempfänger mit einem rekonfigurierbaren 3-Modus-Resonanzregelgleichrichter. IEEE J. Solid-State Circuits https://doi.org/10.1109/JSSC.2017.2657603 (2017).

Artikel Google Scholar

Choi, J. et al. Resonanzregulierende Gleichrichter (3R), die für eine resonante drahtlose Energieübertragung (RWPT) mit 6,68 MHz arbeiten. IEEE J. Solid-State Circuits https://doi.org/10.1109/JSSC.2013.2287592 (2013).

Artikel Google Scholar

Bai, X. et al. Ein hocheffizienter 678-MHz-Vollaktivgleichrichter mit adaptiver Zeitverzögerungssteuerung für die drahtlose Energieübertragung. IEEE Trans. Sehr skalierbares Integral. Syst. https://doi.org/10.1109/TVLSI.2016.2626301 (2017).

Artikel Google Scholar

Wagih, M. et al. Tragbarer 6,78 MHz resonanter, induktiver, kabelloser Energieübertragungshandschuh mit zwei Empfängern und gestickten Textilspulen. IEEE-Zugriff https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2971086 (2020).

Artikel Google Scholar

Jiang, Y. et al. Mit E-Textil bestickte, tragbare Nahfeldkommunikations-RFID-Antennen. IET Microwaves Antennas and Propagation 13(1), 99–104. https://doi.org/10.1049/iet-map.2018.5435 (2019).

Artikel Google Scholar

Rongzhou, L. et al. Drahtlose, batterielose Körpersensornetzwerke unter Verwendung von Nea-Field-fähiger Kleidung. Nat. Komm. 11, 444. https://doi.org/10.1038/s41467-020-14311-2 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Garnier, B. et al. Textile NFC-Antenne zur Strom- und Datenübertragung über Kleidung hinweg. Kluge Mater. Struktur. 29, 085017. https://doi.org/10.1088/1361-665X/ab8a6d (2020).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Garnier, B. et al. Elektronische Komponenten weniger volltextile Mehrfachresonanzkombinatoren für körperzentrierte Nahfeldkommunikation. Wissenschaft. Rep. 11, 2159. https://doi.org/10.1038/s41598-021-81246-z (2021).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hajiaghajani, A. et al. Textilintegrierte Metamaterialien für Nahfeld-Mehrkörpernetzwerke. Nat. Elektron 4, 808–817. https://doi.org/10.1038/s41928-021-00663-0 (2021).

Artikel Google Scholar

Kung, ML et al. Verbesserte Analyse- und Entwurfsmethode für Dualband-Spulenmodule für drahtlose Nahfeld-Energieübertragungssysteme. IEEE Trans. Mikrowelle. Theorie Tech. https://doi.org/10.1109/TMTT.2015.2398415 (2015).

Artikel Google Scholar

https://www.luxondes.com/intro_scanphone/, 2023.

Referenzen herunterladen

Diese Arbeit wird im Rahmen des ANR-Programms (Französische Nationale Forschungsagentur) im Rahmen des Projekts CONTEXT ANR-17-CE24-0013-02 finanziert. Die Autoren danken François Dassonville, einem Techniker bei ENSAIT. Diese Forschungsarbeiten wurden teilweise mit Unterstützung von IEMN-Charakterisierungseinrichtungen (PCMP) durchgeführt.

Nationale Schule für Textilkunst und -industrie, Roubaix, Frankreich

Baptiste Garnier, François Rault, Cédric Cochrane und Vladan Koncar

CNRS, Centrale Lille, Univ. Polytechnic Hauts-de-France, UMR 8520 - IEMN, Univ. Lille, 59000, Lille, Frankreich

Philip Wedding

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BG, PM, FR, CC und VK konzipierten und gestalteten die Strukturen. BG produzierte die Prototypen. PM und BG führten die Experimente und Messungen durch. BG hat die Simulationen realisiert. BG, PM, FR, CC und VK haben den Artikel geschrieben.

Korrespondenz mit Baptiste Garnier.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Garnier, B., Mariage, P., Rault, F. et al. Textiler Dualband-NFC-A4WP-Kombinator (13,56–6,78 MHz) zur drahtlosen Energie- und Datenübertragung für vernetzte Kleidung. Sci Rep 13, 5613 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31832-0

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Eingegangen: 20. September 2022

Angenommen: 17. März 2023

Veröffentlicht: 06. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31832-0

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