پارچه‌های حلقوی بافت هوشمند – طراحی آنتن‌های فعال و غیر فعال

پارچه‌های حلقوی بافت هوشمند- طراحی آنتن‌های فعال و غیر فعال

حمیده نجارزاده

کارشناسی ارشد شیمی نساجی و علوم الیاف، دانشگاه آزاداسلامی واحد تهران جنوب

همانطور که در شماره قبل اشاره گردید، با ترکیب نخ‌های رسانا و سیستم‌های حلقوی‌بافی، امکان ایجاد طرح‌های الکتریکی و مکانیکی در فرآیند تولید پوشاک ایجاد می‌گردد و می‌تواند با تبدیل به البسه مختلف دارای کاربردهای وسیعی در حوزه‌های مختلف اعم از لمسی، ارتباطی و حسگرها باشد.

در قسمت قبل با اشاره به شکم‌بند بانوان باردار، نشان دادیم که با استفاده از این نوع پارچه‌ها می‌توان از سلامت جنین و مادر اطمینان حاصل نمود. حال در این شماره، به بررسی طراحی آنتن‌های فعال و غیر فعال پرداخته می‌شود که از جمله آنها، آنتن حلقوی بافت دو قطبی است که از نخ‌های رسانا ساخته شده و در شکل ۱ نشان داده شده است. این آنتن دو قطبی دارای فرکانس بالا بوده و با استفاده از نخ‌های رسانا و فناوری حلقوی بافی که پیش از این توضیح داده شد، بافته شده است. در نمونه‌های ساخته شده یک آنتن دو قطبی نیمه طول موج تهیه و در فرکانس ۸۶۸ مگا هرتز متمرکز شده است. افت بازگشتی و الگوهای بازتابش در مقادیر مختلف ازدیاد طول پارچه نیز در شکل ۳ نشان داده شده‌اند. مطابق شکل ۳ حتی در مقادیر مختلف ازدیاد طول نیز توافق خوبی میان امپدانس ورودی و عوامل تفرق شبیه‌سازی شده و عملی وجود دارد. همان گونه که در شکل ۱ نشان داده شده است، می‌توان پارچه را به گونه‌ای بافت که سلول‌های واحد بافت حلقوی یک مدار مقاومتی معادل را تشکیل داده و مقادیر قابل اندازه‌گیری را بدست بدهند. حتی در شرایطی که، به دلیل ساختار پر اتلاف نخ‌های رسانا نسبت به آنتن‌های فلزی کاهش تقویت کمی مشاهده می‌شود، میدان تابش شده از الگوهای پیش‌بینی شده، پیروی کرده است. به طور کلی، نتایج این مطالعه موید اصول مورد استفاده در آنتن‌های منسوجی بوده و قابلیت استفاده از سیستم‌های شناسایی فرکانس رادیویی را نشان می‌دهد. این آنتن‌های انعطاف‌پذیر را می‌توان به آسانی با روش‌های تولید پارچه تولید کرد و برای ساختن کرنش‌سنج‌های فرکانس رادیویی و کاربرد در شکم‌بند توضیح داده شده بکار برد.

مطابق شکل ۱، با ترکیب نخ‌های با کشسانی بیشتر و نخ‌های با رسانایی بیشتر می‌توان راندمان آنتن‌های پارچه‌ای را حتی در شرایط ازدیاد طول نیز بهبود بخشید. این مواد، امکان طراحی آنتن‌های هم صفحه‌ی فعال و غیر فعال را برای بکار بردن در شکم‌بند و سایر کاربردها فراهم می‌سازد. انتخاب محدوده‌ی فرکانس کاری این آنتن‌های دو قطبی پارچه‌ای، بر اساس حساسیت آن‌ها به کشیده شدن و پهنای باند فرکانس مناسب از نظر پزشکی انجام می‌شود.

پس از تعیین ابعاد آنتن، طرح مورد نظر با استفاده از شبیه‌ساز میدان الکترومغناطیس HFSS شبیه‌سازی شده و برای فرکانس ۸۶۸ مگا هرتز، تنظیم شد تا در تطابق با تراشه‌های شناسایی فرکانس رادیویی غیرفعال قرار داشته باشد. مطابق شکل b 2، الگوی آنتن رسانا (ناحیه‌ی تیره) بر روی پارچه‌ی حلقوی بافت نارسانا (ناحیه‌ی روشن‌تر) قرار دارد و یک درگاه تغذیه‌ی SMA به کمک سفت شدن یک رنگ رسانا با مقاومت کمتر از ۶۰ میلی اُهم بر میلی متر مربع،  به دو شاخه‌ی آنتن متصل شده است.

یکپارچگی بین درگاه آنتن و خط تغذیه از طریق اندازه‌گیری افت بازگشتی توسط تحلیلگر شبکه‌ی Agilent N5230A تعیین می‌شود. شکل ۳ مقایسه‌ای را بین افت بازگشتی شبیه‌سازی شده و اندازه‌گیری شده تحت ازدیاد طول‌های مختلف نشان می‌دهد. شبیه‌سازی آنتن در ابتدا در موقعیت سکون و سپس با اعمال افزایش طولی معادل ۹ میلی‌متر و تغییر زاویه‌ی ۲۰ درجه‌ای بین قسمت‌های چین‌دار انجام شده است. تشدید آنتن در هر دو حالت، با تشدید حاصل از آنتن منسوجی مطابقت داشته است. با کشیده شدن پارچه در اثر اعمال نیروی محوری، مقدار بیشینه‌ی افت بازگشتی، نسبت به فرکانس مرکزی منحرف می‌شود. با افزایش نیروی اعمالی، طول آنتن منسوجی افزایش یافته و فرکانس تشدید به مقادیر پایین‌تر منتقل می‌شود. پهنای باند مربوط به افت بازگشتی معادل ۱۰ دسی بل از دو قطبی شبیه‌سازی شده حدود ۸۰ مگا هرتز بوده است، در حالی که آنتن منسوجی پهنای باندی در حدود ۱۲۰ مگا هرتز را بدست می‌دهد. این مقدار بزرگ به دلیل ساختار با اتلاف زیاد آنتن منسوجی در مقایسه با آنتن مسی شبیه‌سازی شده بدست می‌آید.

شکل۱- آنتن حلقوی بافت دوقطبی

شکل۲- الگوی آنتن رسانا بر روی پارچه‌ی حلقوی بافت نارسانا

شکل۳- مقایسه‌ای را بین افت بازگشتی شبیه‌سازی شده و اندازه‌گیری شده تحت ازدیاد طول‌های مختلف

خصوصیات تابشی آنتن منسوجی به کمک اتاقک بدون انعکاس اندازه‌گیری شده است. دو نمودار نشان داده شده در شکل ۴ صفحات تراز و زاویه‌ای پرتو تابیده شده در مقادیر مختلف ازدیاد طول را نشان می‌دهد. الگوها، در هر دو حالت سکون و ازدیادطول از تابش متعارف یک دو قطبی هرتزی پیروی می‌کنند. بنابراین، در آنتن‌های منسوجی نیز توزیع جریان مشابهی مانند آنتن‌های مسی ایده‌آل برقرار است. اعمال نیروی محوری، موجب تغییر طول، بار توزیع شده و بازده آنتن می‌گردد. بازده کل در موقعیت سکون و ازدیاد طول بیشینه (۹ میلی‌متر) به ترتیب ۸/۰- و ۵/۱ دسی بل اندازه‌گیری شده است. ازدیاد طول پارچه‌ی رسانا، موجب آرایش محکم‌تر حلقه‌های ساخته شده توسط نخ‌ها می‌شود. در نتیجه، کاهش حساسیت ساختار نهایی موجب افزایش بازده آنتن خواهد شد. به دلیل ساختار پر اتلاف آنتن منسوجی، بازده اندازه‌گیری شده نسبت به آنتن شبیه‌سازی شده ۱ دسی بل کاهش داشته است. با این حال، عملکرد کلی آنتن منسوجی آن را به عنوان گزینه‌ای مناسب برای کاربرد به عنوان حسگر کرنشی با استفاده از یک تراشه‌ی شناسایی فرکانس رادیویی غیر فعال مطرح کرده است.

شکل۴- صفحات تراز و زاویه‌ای پرتو تابیده شده در مقادیر مختلف ازدیاد طول

 

شکل ۵، یک تگ شناسایی فرکانس رادیویی منسوجی را نشان می‌دهد که از آنتن دو قطبی منسوجی نشان داده شده در شکل ۱ و تراشه‌ی شناسایی فرکانس رادیویی متصل به آنتن تشکیل شده است. در این تصویر، نتایج حاصل از اندازه‌گیری‌ انرژی بازتابش در حالت‌های سکون و ازدیادطول تگ، برای شبیه‌سازی حرکات ناشی از تنفس و انقباض ایجاد شده در شکم‌بند بارداری نیز نشان داده شده است.

 

شکل۵- تگ شناسایی فرکانس رادیویی منسوجی

 

شکل ۶ یک الگوی آنتن منسوجی فعال را نشان می‌دهد که در آن از یک ماژول بلوتوث ۲۰۰ نیز برای اندازه‌گیری انقباض و ازدیادطول یک کرنش‌سنج منسوجی استفاده شده است. اطلاعات بدست آمده، پردازش شده و سپس به یک رایانه یا گوشی هوشمند فرستاده می‌شوند. این ماژول بلوتوث از ابعاد بسیار کوچکی در حد ۲۰×۱۰ میلی‌متر برخوردار بوده و مصرف انرژی آن بسیار کم و در محدوده‌ی میکرو آمپر است. همان گونه که نشان داده شده است، برای انتقال اطلاعات توسط دستگاه فرستنده و گیرنده‌ی بلوتوث ۲۰۸ به آنتن منسوجی می‌توان از یک مبدل برای تبدیل آنالوگ به دیجیتال و میکرو کنترلر ۲۰۶ برای پردازش سیگنال‌های دیجیتالی استفاده کرد. ماژول بلوتوث ۲۰۰ بر روی قسمت پوشاننده‌ی معده در شکم‌بند استفاده شده است تا تغییرات مقاومتی ناشی از انقباض و ازدیادطول را اندازه‌گیری و جمع‌آوری کند. اطلاعات بدست آمده پردازش شده و سپس به کمک ماژول بلوتوث ۲۰۰ و آنتن منسوجی ۲۱۰ به یک گوشی هوشمند ارسال می‌شود. با استفاده از یک برنامه‌‌ی کاربردی در گوشی هوشمند، می‌توان اطلاعات دریافت شده از ماژول بلوتوث را مشاهده کرد.

شکل۶- الگوی آنتن منسوجی فعال

 

شکل ۷ یک ماژول شناسایی فرکانس رادیویی را نشان می‌دهد که در آن از یک مدار یکپارچه‌ی استاندارد استفاده شده است که می‌توان همراه با آنتن‌های دو قطبی منسوجی از آن برای ساختن یک الگوی آنتنی فعال استفاده کرد. این ماژول فرکانس رادیویی، در مقایسه با تراشه‌های شناسایی فرکانس رادیویی نیازی به لحیم شدن به آنتن طراحی شده را ندارد. زیرا، سیگنال فرکانس رادیویی به صورت القایی به آنتن وصل می‌شود. شکل ۸ تراشه‌ی شناسایی فرکانس رادیویی شکل ۷ را نشان می‌دهد که به صورت القایی به بازوهای آنتن منسوجی ۲۱۲ متصل شده است. ازدیاد طول و یا انقباض آنتن پارچه‌ای، موجب تغییر در مقادیر انرژی بازتابشی اندازه‌گیری شده می‌شود. این تغییرات را می‌توان به کمک یک دستگاه قرائت‌گر فرکانس رادیویی تشخیص داد. در شکم‌بند شکل ۸ تراشه‌ی شناسایی فرکانس رادیویی ۱۰۰ بر روی قسمت پوشاننده‌ی معده قرار داده شده است تا ازدیاد طول و انقباض ناشی از آنتن پارچه‌ای را تشخیص داده و اطلاعات بدست آمده از تغییرات ایجاد شده در انرژی بازتابشی را به نزدیک‌ترین سیستم قرائت‌گر فرکانس رادیویی منتقل کند. اتصال القایی تراشه‌ی فرکانس رادیویی به آنتن منسوجی، موجب حساسیت بیشتر آنتن منسوجی به ازدیاد طول شده و نوسانات قابل ملاحظه‌ای را در نمایشگر‌های قدرت سیگنال دریافتی نشان می‌دهد. تغییر خصوصیات تابشی آنتن در حالت کشش پارچه و قطع اتصال القایی تراشه‌ی فرکانس رادیویی از آنتن در این حالت، موجب ایجاد تغییرات بزرگی در قدرت سیگنال می‌گردند.

 

شکل۷- ماژول شناسایی فرکانس رادیویی

شکل ۸- تراشه‌ی شناسایی فرکانس رادیویی ماژول شناسایی

 

میکرو تراشه‌ی شناسایی فرکانس رادیویی ۳۰۰ شکل ۷ (MAGICSTRAP) می‌تواند در عین حفظ انعطاف‌پذیری پارچه، موجب افزایش حساسیت حسگر کرنشی بی‌سیم نیز شود. این میکرو تراشه به امپدانس ورودی مشخصی از یک آنتن نیاز دارد تا بتواند بیشترین عملکرد خود را به نمایش بگذارد. همان گونه که نشان داده شده است، میکرو تراشه‌ی MAGICSTRAP از یک مدار انطباقی ۳۰۲ تشکیل شده است که سیگنال‌های دریافت شده از بازوهای آنتن منسوجی ۲۱۲ را مطابقت داده و به کمک مبدل آنالوگ به دیجیتال ۳۰۶ و کنترلر ۳۰۸ نتایج بدست آمده را به حافظه‌ی ۳۰۴ منتقل می‌کند. برای استفاده‌ی بیشتر از این میکرو تراشه، طرح دیگری از آنتن شکم‌بندی پیشنهاد شده است. در شکل ۹ نمونه‌ای دیگر از آنتن شکم‌بندی نشان داده شده است که از یک آنتن دو قطبی حلقوی بافت تشکیل شده است. این آنتن برای استفاده در پهنای باند فرکانس رادیویی ۹۶۰-۸۶۰ مگا هرتز طراحی شده است. برای اعتبارسنجی نمونه‌ی اولیه‌ی ساخته شده، مشخصات الکتریکی این نمونه توسط تحلیل‌گر شبکه‌ای برداری اندازه‌گیری شده است. نتایج بدست آمده، امپدانس مزدوج مختلط خوبی را در تطابق با درگاه‌های ورودی میکرو تراشه نشان داده‌اند.

با استفاده از میکرو تراشه‌های شناسایی فرکانس رادیویی ۱۰۰ یا ۳۰۰، تغییر شکل فیزیکی تگ‌های شناسایی فرکانس رادیویی، موجب تغییر در امپدانس و کاهش اتصال بین میکرو تراشه و آنتن می‌شود که تغییرات قابل توجهی را در انرژی بازتابش به وجود می‌آورند. به همین دلیل در این مقاله از میکرو تراشه‌ی فرکانس رادیویی موراتا (MAGICSTRAP LXMS31ACNA-011) استفاده شده است. این میکرو تراشه بسیار کوچک بوده، ابعاد آن ۶/۱ × ۲/۳ میلی‌متر و امپدانس ورودی آن معادل Z_c=۲۵-j200 بین فرکانس‌های ۸۷۰ و ۹۱۵ مگا هرتز می‌باشد. با توجه به این که جزء موهومی امپدانس میکرو تراشه منفی است، آنتن به گونه‌ای طراحی شده است که برای تطبیق امپدانس مزدوج مختلف (Z_a=۲۵+j200)، راکتانس القایی را از خود به نمایش گذاشته و می‌تواند دارای بیشترین میزان انتقال انرژی باشد. شکل ۹ مدل سه بعدی آنتن  را نشان می‌دهد که با استفاده از شبیه‌ساز ساختاری فرکانس بالای HFSS طراحی و شبیه‌سازی شده است. این طرح، از یک دو قطبی چین‌دار و یک شیار بلند تشکیل شده است که نقش تنظیم فرکانس مرکزی را در تطبیق امپدانس ایفا می‌کند. ابعاد بیرونی آنتن، شامل طول و عرض به ترتیب عبارتند از ۱۲۴ و ۵/۹ میلی‌متر و شیار داخلی نیز از طولی برابر با ۷۷ میلی‌متر و پهنای ۳ میلی‌متر برخوردار است. با در نظر گرفتن فاصله‌ی بین محل‌های اتصال میکرو تراشه‌های فرکانس رادیویی، طول شکاف بین بازوهای دو قطبی، ۱ میلی‌متر است.

با تنظیم درست آنتن شکل ۹ ، برای دستیابی به تطبیق مزدوج مختلط در فرکانس ۸۷۰ مگا هرتز، مقدار ضریب انعکاس (S11) بین آنتن و میکرو تراشه مطابق شکل ۱۰ اندازه‌گیری شده است. در شکل ۱۰ امپدانس ورودی آنتن شکل ۹ نسبت به امپدانس میکرو تراشه‌ی شکل ۷ نشان داده شده است. مطابق این شکل، پیک فرکانسی در فرکانس تشدید زیر ۱۰- دسی بل است که تطبیق امپدانس مناسبی را با میکرو تراشه‌ی MAGICSTRAP نشان می‌دهد.

با اتصال میکرو تراشه‌ی شکل ۷ و آنتن شکل ۹، محدوده‌ی قرائت شکم‌بند و حساسیت آن نسبت به انقباض و ازدیاد طول، به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد. از این آنتن می‌توان برای اندازه‌گیری کرنش شعاعی در یک اتاقک بدون انعکاس استفاده کرد. در این وسیله‌ی آزمایشگاهی، آنتن ساخته شده در فاصله‌ی ۶/۱ متری قرائت‌گر فرکانس رادیویی Impinj Speedway قرار گرفته است. آنتن به صورت افزایشی از موقعیت سکون در زاویه‌ی صفردرجه تا زاویه‌ی بیشینه‌ی ۳۰ درجه خم می‌شود. قرائت‌گر، در هر زاویه ۳۰۰ نمونه از مقادیر بازتابش (RSSI) را به منظور انجام تحلیل‌های آماری ثبت می‌کند. اختلاف انرژی بازتابشی در زوایای بالای ۱۰ درجه نسبت به موقعیت سکون، محسوس بوده و بیشترین تغییرات RSSI در زاویه‌ی ۲۶ درجه و حدود ۲۰ درصد بوده است. در شکل ۹ طرح آنتن ترسیم شده است.

 

 

شکل ۹- آنتن شکم‌بندی متشکل از یک آنتن دو قطبی حلقوی بافت

شکل ۱۰- امپدانس ورودی آنتن شکم‌بندی نسبت به امپدانس میکرو تراشه‌ی ماژول شناسایی فرکانس رادیویی