Textil dual | Grupo de tecnologías Chongqing BoldBridge

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 5613 (2023) Citar este artículo

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Detalles de métricas

Se propone un combinador original completamente textil para alimentar sensores cerca de un cuerpo con una sola fuente de energía centralizada como un teléfono inteligente, por ejemplo. Se proporciona una solución para tener en cuenta los requisitos de un proceso de producción industrial que necesita minimizar los movimientos de la aguja durante un proceso de bordado. Además, el documento muestra cómo admitir varios estándares de transmisión de energía inalámbrica que ya existen, es decir, NFC y A4WP, o existirán para satisfacer las enormes necesidades de energía para los sistemas distribuidos en el dominio de IoT. En este artículo, se propone un nuevo sistema inalámbrico flexible basado en textiles que permite la comunicación y la recolección de energía. Se han realizado estudios analíticos, numéricos y experimentales para demostrar que la estructura tiene dos frecuencias resonantes de 6,8 MHz y 13,6 MHz, lo que la hace adecuada para los estándares NFC y A4WP. Además, las pérdidas provocadas por el sistema son de 2,76 dB y 1,91 dB para A4WP y NFC, respectivamente. Los resultados se presentan sucesivamente para resaltar las especificidades de tales combinadores textiles de bobinas múltiples. Se explica un método para obtener una estructura resonante sin ningún componente electrónico sólido.

El desarrollo reciente de textiles conectados permite el aumento de la transmisión de datos y energía dentro de la ropa. De hecho, los sensores integrados en nuestra tela necesitan una fuente de alimentación para funcionar y transmitir datos. La tecnología de comunicación de campo cercano (NFC) es una solución para las fuentes de energía centralizadas y el almacenamiento de datos, especialmente con la mejora de la capacidad de la batería y la memoria. El progreso en la electrónica ya ha permitido el uso de transferencia de energía inalámbrica (WPT) entre pequeños dispositivos portátiles y teléfonos inteligentes, equipados con tecnología NFC1,2. Algunos dispositivos IoT pequeños, como los sensores fisiológicos, pueden requerir que a veces solo se les suministre energía, eventualmente mediante una tecnología estandarizada por A4WP (Alliance for wireless power) recientemente renombrada Airfuel (Air Fuel Alliance), sabiendo que la tecnología Qi es una alternativa estándar, que ya está disponible en el mercado3,4,5. Esta última tecnología no se ha retenido en el presente trabajo, ya que funciona a frecuencias muy débiles, alrededor de 300 kHz, lo que restringiría su uso a antenas perfectamente alineadas e idénticas para el transmisor y el receptor ubicados cerca del combinador. Cabe señalar, además, que la frecuencia del estándar A4WP es exactamente la mitad de la frecuencia de la NFC.

Se pueden usar numerosas fuentes de energía para alimentar los textiles electrónicos, pero los teléfonos inteligentes hoy en día están equipados con antenas NFC y pueden almacenar, procesar y enviar una gran cantidad de datos. En consecuencia, están especialmente adaptados a la fuente de alimentación y conectan los textiles inteligentes a una red diferente. Por ejemplo, se ha desarrollado un sistema de transmisión de energía para alimentar textiles inteligentes a partir de la energía mecánica de una bicicleta6. Jiang et al. también han desarrollado una antena NFC textil con hilos plateados capaz de transmitir datos incluso bajo flexión7. Más recientemente, Rongzhou Lin et al. también han publicado un estudio que presenta un sistema de transmisión NFC textil integral bordado en una prenda8. Su objetivo es monitorear parámetros fisiológicos en tiempo real de forma nómada, como durante la carrera. Sin embargo, el dispositivo necesita algunos componentes eléctricos rígidos para funcionar y su frecuencia de operación no está ajustada a 13,56 MHz. Otro estudio sobre antenas textiles NFC se centró en el aspecto de la frecuencia resonante9. Muestra que la antena bordada se puede realizar solo con materiales y procesos textiles, y su frecuencia de resonancia se puede ajustar a la tecnología NFC. Finalmente, la asociación de varias antenas textiles puede crear nuevos dispositivos, llamados "combinadores", que permitan transferir un campo magnético de 13,56 MHz a través de una superficie textil10. Desafortunadamente, este tipo de estructura incluye un punto de soldadura para cerrar el circuito, lo que produce una debilidad en el dispositivo. También hay estructuras textiles de red de área multicuerpo de campo cercano utilizadas para la comunicación en el cuerpo desarrolladas por metamateriales construidos a partir de matrices de elementos magnetoinductivos anisotrópicos discretos11. A diferencia de los resultados publicados en artículos recientes sobre el tema, nuestro trabajo demuestra la posibilidad de comunicar y transferir energía siguiendo dos estándares inalámbricos diferentes (NFC y A4WP) sin ningún componente electrónico tradicional. Solo el material textil y las técnicas de procesamiento se utilizan para diseñar y producir la antena y el combinador.

En comparación con la estructura anterior10, el punto de soldadura se ha sustituido por un condensador textil. Primero, un estudio teórico de la estructura destaca la presencia de dos frecuencias resonantes que dependen de la resonancia intrínseca de la antena y el valor de la nueva capacidad textil, respectivamente. En segundo lugar, se han realizado simulaciones para evaluar las respuestas eléctricas de la estructura. En tercer lugar, se ha medido el coeficiente de transmisión S21 para identificar las frecuencias resonantes experimentales. Finalmente, se ha realizado una aplicación práctica, a modo de prueba de concepto.

El combinador textil de doble banda (NFC-A4WP) permite la transferencia de energía y datos a través de la ropa en dos frecuencias diferentes, 13,56 MHz y 6,78 MHz, mediante el uso de acoplamientos de inducción magnética sucesivos. El dispositivo se compone de varias antenas que se pueden utilizar como transmisor o receptor. Todas las antenas son idénticas y están compuestas por una bobina de 40 mm y 10 vueltas, conectada a una línea de transmisión de 130 mm, como se muestra en la Fig. 1a, b. Se asocian simétricamente, para formar un circuito compuesto por una sola línea de corriente con un proceso de bordado. Se añaden dos líneas de corriente, con longitudes variables, al inicio y al final del bordado. Una imagen y un diagrama del dispositivo se muestran en la Fig. 1c, d. La línea actual está formada por el uso de tres hilos conductores textiles superpuestos Datatrans, de la empresa Tibtech.

(a) Fotografía de la antena y (b) su diagrama. (c) Fotografía del combinador de dos antenas textiles de doble banda (NFC-A4WP) y (d) su diagrama. Las figuras 1(b) y (d) se realizaron con el software Inkscape v1.2.2 (https://inkscape.org/).

Las características eléctricas de la antena ya se conocen por estudios previos9,10. Se prototipó un combinador textil de doble banda (NFC-A4WP) con dos de estos tipos de antenas para evaluar sus coeficientes de transmisión. Asimismo, la longitud de las líneas de corriente al inicio y al final del bordado y que forman una sección de la línea de transmisión paralela es variable para estudiar su impacto en las frecuencias resonantes y los coeficientes de transmisión.

El combinador textil de doble banda (NFC-A4WP) y sus diagramas eléctricos se presentan en la Fig. 2a, b, con L como la inductancia, C como la capacidad de una antena, R como la resistencia de la bobina y r como la resistencia de la línea de transmisión. . Copen es la capacidad del tramo adicional abierto de la línea de transmisión, denominado AOETL en el resto del trabajo, con una longitud variable que forma el inicio y el final del bordado. Suponiendo que una de las antenas de bobina está excitada por acoplamiento inductivo, la impedancia del circuito vista por la fuente de tensión inducida (que no se muestra en la Fig. 2) puede expresarse mediante la ecuación. (1) donde ω es la pulsación de la señal sinusoidal y j es la raíz cuadrada de − 1.

(a) El combinador de dos antenas textiles de doble banda (NFC-A4WP), (b) su diagrama eléctrico y (c) un zoom sobre la capacidad de apertura Copen. (d) Caso de un combinador de bobinas N (células) inductivamente excitado (fuente de tensión inductiva).

Aunque la Fig. 2b muestra un combinador de 2 bobinas, el siguiente estudio analítico proporciona ecuaciones más generalizadas adaptadas a un combinador de N bobinas (1 entrada, (N-1) salidas) como se muestra en la Fig. 2d. Cada antena está modelada por una celda con parámetros r, R, L y C ya definidos en el caso del combinador de 2 bobinas. La antena izquierda está acoplada inductivamente a un transmisor no mostrado que da como resultado la presencia de una fuente de tensión Vi. Así, la impedancia Zi vista por la fuente está dada por la siguiente ecuación:

Las condiciones de resonancia se obtienen cuando desaparece la parte imaginaria de la impedancia. La capacidad Copen estando en serie con una suma de circuitos resonantes paralelos (bobinas) puede traer una nueva frecuencia resonante además de la resonancia inicial proveniente de las antenas12, excepto por dos escenarios simplificados que han sido estudiados analíticamente. Primero, el caso donde el circuito resuena solo a la frecuencia apropiada de cada antena. Luego, el caso donde la capacidad de Copen es muy pequeña en comparación con las capacidades de la antena específica. En cada caso, se enfatizarán las condiciones que permiten despreciar la influencia de esta apertura. Se obtienen cuando la impedancia alimentada al circuito es despreciable en comparación con el módulo de impedancia, denotado Z', de las N-1 antenas conectadas en serie con él.

La impedancia proporcionada por Copen y por las antenas (N-1) conectadas en serie vienen dadas respectivamente por las siguientes expresiones:

En la resonancia propia del circuito (si N antenas son idénticas), hay \(LC\omega^{2} = 1\)Entonces

En esa frecuencia resonante, también hay: \(\frac{1}{{C}_{open}\omega }=\frac{1}{{C}_{open}\frac{1}{\sqrt{ LC}}}=\frac{\sqrt{LC}}{{C}_{abrir}}\)

Copen no influirá en el valor de la frecuencia resonante si su impedancia asociada es mucho menor que el valor de la impedancia de las antenas completas (N-1). Eso es:

Esta condición resulta en el siguiente requisito:

En el otro caso particular donde Copen es extremadamente bajo al lado de la capacidad de la antena (\({C}_{open} << C\)), la impedancia total del circuito viene dada por la siguiente expresión, siendo ε el valor infinitesimal de la impedancia equivalente de las antenas (N-1).

Suponiendo que ε y Nr sean despreciables, la impedancia Z viene dada por la expresión:

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

La resonancia aparecerá en: \({f}_{0}=\frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}\)

Cada combinador NFC-A4WP de doble banda textil fue diseñado con el software GiSBac y producido con una máquina de bordar industrial JF-0215–495 de la empresa ZSK. La estructura se ha realizado sobre tejido de algodón con un hilo conductor Datatrans de Tibtech Company, como hilo bobina, y con un hilo básico de algodón calcetería, como hilo superior. La línea de corriente que compone el circuito está formada por hilos conductores Datatrans superpuestos.

Todas las caracterizaciones se han realizado en las condiciones de temperatura de 21 °C y humedad relativa del 65% de nuestro laboratorio normalizado. El Vector Network Analyzer utilizado fue un Agilent 8753S. La medida de los parámetros de dispersión se ha realizado gracias a una antena PCB de sonda conectada con un cable coaxial de 1 m. Las antenas de bobina de sonda impresa utilizadas tienen un radio medio de 22 mm, un ancho de pistas conductoras de 0,6 mm y 8 vueltas. Se han impreso sobre un sustrato FR4 de 1,6 mm de espesor. La calibración VNA se ha realizado con el cable coaxial para suprimir su influencia en los resultados. En la Fig. 3 se presenta una foto de la configuración experimental de medición de parámetros S21 del combinador y los diagramas de las mediciones de transmisión directa y transmisión del combinador. La cartografía del campo electromagnético se realizó con un ScanPhone de Luxondes Company.

( a ) Foto de la configuración experimental de medición de parámetros del combinador S21. (b) Diagrama de la transmisión directa entre las dos sondas. ( c ) Diagrama de la configuración experimental de medición de parámetros S21 del combinador de doble banda. Las figuras 3(b) y (c) se realizaron con Microsoft PowerPoint 2016 16.0.4266.1001 (https://www.microsoft.com/en-ca/microsoft-365/powerpoint).

Las simulaciones se han realizado con el software LTspice. Todos los datos constantes en estas simulaciones provienen de un estudio publicado previamente9. El combinador textil de doble banda (NFC-A4WP) con las características eléctricas de dos antenas también se ha simulado para confirmar nuestros resultados teóricos. Los valores de los parámetros usados en la simulación son \(R=14.1 \Omega\), \(L=7.99 \mu H\), \(C=17.45 pF\). Estos valores se eligieron respecto a un artículo anterior9 y se han adaptado a una antena NFC textil de línea de transmisión de 40 mm, 10 vueltas y 130 mm. La capacidad variable \({C}_{open}\) se ha fijado en \(1 pF, 10 pF, 100 pF y 1000 pF\) para ver su impacto en la segunda frecuencia resonante. También se ha rastreado un quinto valor de \({C}_{open}=26 pF\) para resaltar una estructura de doble banda adaptada a los estándares NFC y A4WP. La Figura 4 muestra los resultados de la simulación de la corriente que corre en la inductancia de una antena.

Simulaciones del parámetro S21 del combinador de doble banda para C abierto = [1pF, 10pF, 26pF, 100pF, 1000pF] de 1 a 18 MHz (Valores simulados por LTspice).

Estas simulaciones demuestran el efecto de la capacidad de apertura sobre la aparición de una segunda frecuencia resonante en la estructura. De hecho, la resonancia en la frecuencia más alta, \({f}_{\mathrm{0,2}}=13,5 MHz\), permanece fija y es igual a la frecuencia de resonancia de las antenas, que forman el combinador. Por el contrario, la segunda frecuencia resonante, \({f}_{\mathrm{0,1}}\) (en el valor más bajo) depende del valor de la capacidad de apertura. Cuanto mayor sea su valor, más lejos estará la frecuencia de resonancia de \(13,5 MHz\). Finalmente, como lo muestra el desarrollo analítico anterior, cuando \({C}_{open}\) es muy pequeño en comparación con la capacidad de una antena (\(C\)), entonces los máximos de resonancia se fusionan. Este caso suele aparecer en la Fig. 3, para Copen = 1pF que empieza a ser pequeño frente al valor de C = 17,45pF.

Se ha medido el coeficiente de transmisión del combinador de banda dual textil de 2 bobinas (NFC-A4WP) (parámetro S21) para determinar su frecuencia de resonancia de acuerdo con el valor de capacidad de apertura \({C}_{open}\). Para modificar este valor, se ha reducido la longitud del AOETL de 550 a 250 mm con un intervalo de 50 mm. La Figura 5a presenta los resultados de los parámetros S21 de la estructura entre dos antenas acopladas inductivamente a cada bobina del combinador, donde \({L}_{co}\) se define como longitud AOETL. Se ha optado por utilizar antenas transmisoras y receptoras no resonantes, más tarde denominadas "sondas", para caracterizar la capacidad del combinador solo para transmitir ambas frecuencias en determinadas condiciones. Un pico de coeficiente de transmisión expresa una frecuencia resonante. Estos resultados destacan la presencia de dos frecuencias resonantes. El primero, \({f}_{\mathrm{0,1}}\), proviene de la capacidad de apertura y varía según su valor. Una longitud de 250 mm de \({L}_{co}\) le permite alcanzar una frecuencia de resonancia de 5,8 MHz. La segunda frecuencia resonante \({f}_{\mathrm{0,2}}\) es estable y su valor depende de las características de la antena (L y C), en este caso,\({f}_{\mathrm {0,2}}=13,58 MHz\). Cuando el valor de \({L}_{co}\)(es decir, los de la capacidad de apertura) disminuye, la primera frecuencia resonante se acerca a la segunda, según el análisis teórico y las simulaciones.

(a) Parámetro S21 medido del combinador de doble banda textil con longitud de apertura \({L}_{co}\)(mm) que varía de 250 a 550 mm. (b) El NFC-A4WP adaptó el parámetro S21 medido y simulado del combinador textil de doble banda de 0 a 20 MHz. Los parámetros S11 y S22 medidos. Las frecuencias estándar A4WP y NFC están resaltadas.

Estas medidas nos han permitido determinar la longitud adaptada del AOETL para crear una estructura resonante en las frecuencias NFC y A4WP, es decir, 13,56 MHz y 6,78 MHz. El prototipo realizado se compone de una longitud de apertura de 360 mm. Sus parámetros S21 medidos y simulados, y los parámetros S11 y S22 medidos, presentados en la Fig. 5b, muestran dos frecuencias resonantes en el rango A4WP y NFC: \({f}_{\mathrm{0,1}}=6.77 \mathrm{ MHz}\) y \({f}_{\mathrm{0,2}}=13,58 MHz\).

En cuanto a la eficiencia de transferencia de energía, también se ha medido la transmisión directa S21 entre las dos sondas cuando se superponen sin la estructura del combinador para evaluar el impacto del combinador NFC-A4WP de doble banda textil en la transmisión de energía. La transmisión directa S21 se considera la medida de referencia. En consecuencia, las pérdidas relativas \(L (dB)\), producidas por la estructura en sus frecuencias resonantes, son la diferencia entre la transmisión directa S21, directa (dB), mostrada en la Fig. 3b, y el combinador textil S21, combinador ( dB), que se muestra en la Fig. 3c. Los valores del coeficiente de transmisión S21 (directa y a través del combinador) y las pérdidas relativas L (dB) a 6,9 MHz y 13,58 MHz se presentan en la Tabla 1. Los resultados muestran pérdidas relativas de 2,76 dB y 1,91 dB en la primera y segundas frecuencias resonantes, respectivamente. En consecuencia, el combinador textil de doble banda (NFC-A4WP) permite transferir energía con pérdidas mínimas, a pesar de los sucesivos acoplamientos de inducción magnética entre las dos antenas de sonda.

El combinador textil de doble banda (NFC-A4WP) tiene como objetivo aumentar el rango operativo de los protocolos NFC y A4WP a través de una superficie textil de forma totalmente sin contacto. Sin embargo, la emisión del campo electromagnético debe limitarse al área específica junto con los materiales textiles.

Sobre el prototipo se ha realizado una cartografía de emisiones de campos electromagnéticos para localizar las zonas de alta emisión y evaluar las pérdidas de emisión de la estructura, en particular a lo largo de los tramos de línea de transmisión entre bobinas y el denominado AOETL. La medición se ha realizado gracias a un ScanPhone de Luxondes13. El combinador textil de doble banda ha sido alimentado por inducción magnética con señales de 13,56 MHz y 2 Vpp desde un generador de HF. La medida de la intensidad del campo magnético se ha realizado a 20 mm por encima del prototipo. Los resultados, presentados en la Fig. 6, destacan dos áreas de alta emisión, ubicadas en ambos serpentines, como se esperaba. La cartografía también muestra pocas pérdidas de emisión a lo largo de las secciones de la línea de transmisión de la estructura, pero sigue siendo limitada.

Cartografía de emisión de campo electromagnético combinador textil de doble banda (NFC-A4WP).

Los combinadores múltiples textiles de campo cercano de doble banda tienen como objetivo mejorar la comunicación centrada en el cuerpo, lo que significa crear energía y transferencia de datos entre un teléfono inteligente (Samsung A6 con la aplicación de Android NXP TagInfo) y sensores corporales (FreeStyle Libre, un sensor de monitoreo continuo de Abott Diabetes Cuidado). Para demostrar la viabilidad del dispositivo se ha realizado una prueba de concepto. Los combinadores múltiples textiles de campo cercano de doble banda se han integrado en los pantalones para establecer una conexión electromagnética (alimentación y datos) entre un teléfono inteligente, colocado en el bolsillo, y un sensor de parámetros fisiológicos, colocado en el tobillo. La figura 7 presenta el dispositivo completo, el sensor y los datos transmitidos.

(a) La prueba de concepto del combinador múltiple de campo cercano de banda dual textil, (b) los datos transmitidos y (c) el sensor.

Este artículo trata sobre el uso de una estructura completamente textil destinada a distribuir energía alrededor del cuerpo mediante el uso de acoplamiento resonante inductivo. Esa energía puede provenir de un dispositivo (por ejemplo, un teléfono inteligente o un banco de energía inalámbrico) que admita la tecnología NFC o A4WP. La estructura desarrollada ya resuena en las frecuencias estándar A4WP y NFC (6,78 y 13,56 MHz), pero el proceso de bordado permite una gran flexibilidad en la frecuencia operativa. De hecho, depende de la geometría de la estructura como se muestra en las ecuaciones anteriores. Eso significa que es posible desarrollar un combinador textil con cualquier frecuencia resonante en el rango de MHz ajustando el número de giro, el radio o la longitud de la línea de transmisión. Toda la estructura se puede bordar sin necesidad de levantar la aguja de la máquina industrial utilizada, este proceso también es repetible y rápido (5 min de producción para un prototipo). En consecuencia, el método propuesto ya está adaptado a un propósito industrial. Aunque el combinador puede contener varias antenas de acoplamiento de salida, el prototipo que se muestra se limita a un combinador de antena de 2 bobinas que sirve para obtener modelos numéricos y resultados de medición que señalan el comportamiento pronosticado analíticamente cxs. Finalmente, las pérdidas causadas por los combinadores múltiples textiles de campo cercano de doble banda son aceptables para aplicaciones RFID, incluso si pueden reducirse. Por ejemplo, trabajando en la adaptación de impedancia.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado y sus archivos de información complementaria.

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Descargar referencias

Este trabajo está financiado por el programa ANR (Agencia Nacional Francesa de Investigación) dentro del proyecto CONTEXT ANR-17-CE24-0013-02. Los autores agradecen a François Dassonville, técnico de ENSAIT. Este trabajo de investigación se ha realizado parcialmente con el apoyo de las instalaciones de caracterización (PCMP) del IEMN.

Escuela Nacional de Artes e Industrias Textiles, Roubaix, Francia

Baptiste Garnier, François Rault, Cédric Cochrane y Vladan Koncar

CNRS, Centrale Lille, Univ. Politécnico de Hauts-de-France, UMR 8520 - IEMN, Univ. Lila, 59000, Lila, Francia

boda felipe

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BG, PM, FR, CC y VK concibieron y diseñaron las estructuras. BG produjo los prototipos. PM y BG realizaron los experimentos y mediciones. BG ha realizado las simulaciones. BG, PM, FR, CC y VK escribieron el artículo.

Correspondencia a Baptiste Garnier.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Garnier, B., Mariage, P., Rault, F. et al. Combinador textil de doble banda NFC-A4WP (13,56–6,78 MHz) para transmisión inalámbrica de energía y datos para ropa conectada. Informe científico 13, 5613 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31832-0

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Recibido: 20 Septiembre 2022

Aceptado: 17 de marzo de 2023

Publicado: 06 abril 2023

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

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