Design, simulation and manufacturing techniques for fully textile integrated microwave circuits and antennas

Abstract

En la presente Tesis Doctoral se presentan nuevos resultados en las técnicas de diseño, simulación y fabricación de circuitos y antenas en la banda de microondas implementados en tecnología textil. Para ello, en el Capítulo 1 se introducen las técnicas más utilizadas para el desarrollo de circuitos y antenas textiles, tales como la impresión por inyección de tinta sobre sustratos textiles, el bordado, el appliqué o el uso de materiales no tejidos, comúnmente conocidos como non-wovens. Las técnicas anteriormente mencionadas presentan diferentes desventajas, por lo que se propone el proceso de tejido como la solución alternativa sobre la que se fundamenta el resto de la Tesis. Con el objetivo de simplificar la simulación de las complejas estructuras textiles para su caracterización electromagnética, en el Capítulo 2 se propone y presenta un modelado basado en tres pasos. Dichos pasos se corresponden con las traducciones entre los distintos modelos equivalentes de la misma estructura textil. El modelo más complejo está basado en los filamentos de los que se componen los hilos multifilamento empleados y es, por tanto, el modelo que mayores recursos computacionales requiere. El modelo intermedio simula hilos monofilamento electromagnéticamente equivalentes a los anteriores, reduciendo así la complejidad computacional. Finalmente, la estructura textil es traducida a un modelo de capas homogéneas, análogo al utilizado en las simulaciones convencionales con sustratos rígidos. Se obtienen así, los parámetros equivalentes que caracterizan tanto a los materiales dieléctricos, como a los conductores que conforman el tejido. Para validar el modelado de simulación propuesto, en el Capítulo 3 se presentan diferentes diseños de estructuras basadas en tecnología de guía de ondas integrada en sustrato, implementadas mediante procesos de tejido. Los diseños propuestos difieren tanto en la frecuencia de operación, como en el diseño de la estructura textil o en el grado de integración en el tejido de sus transiciones para su posterior validación experimental. Teniendo como objetivo el desarrollo de prototipos con aplicación real, en el Capítulo 4 se presentan diferentes diseños de etiquetas y antenas para su funcionamiento en campo cercano y lejano, respectivamente. Estos prototipos, también integrados completamente en textil, se corresponden con diferentes tecnologías como microstrip o guía de ondas integrada en sustrato, entre otras, y operan en diferentes bandas de frecuencias. El proceso de fabricación utilizando telares industriales aporta la enorme ventaja de poder desarrollar prototipos de grandes dimensiones y a gran escala. Este hecho se aprovecha en el Capítulo 5 en el que se presentan distintos tipos de superficies selectivas en frecuencia completamente integradas en tejido. Estas superficies no sólo son flexibles, sino que además esta característica las provee de una gran aplicabilidad real. Finalmente, se presentan las conclusiones generales y se proponen nuevas líneas de investigación. INGLÉS This Doctoral Thesis presents novel results regarding the design, simulation and manufacturing techniques to develop microwave circuits and antennas in textile technology. For this purpose, Chapter 1 introduces the most employed techniques to develop textile integrated circuits and antennas, such as inkjet-printing over textile substrates, embroidery, appliqué processes or the use of non-woven materials or, simply, non-wovens. The beforementioned techniques present different problems, consequently, weaving has been found to be an alternative solution, becoming the basis of the Thesis. With the aim of simplifying the simulation of the complex textile structures for their electromagnetic characterisation, Chapter 2presents a modelling technique based on three steps. These steps correspond to the translation between the different equivalent models of the same textile structure. The most complex model is based on the filaments which compose the employed multifilament threads, therefore, it is the model which requires more computational resources. The intermediate model emulates monofilament threads which are electromagnetically equivalent to the multifilaments and, consequently, reduces the computational complexity. Finally, the textile structure is translated into a third model based on homogeneous layers, which is analogous to the model employed in conventional simulations with rigid substrates. Eventually, the equivalent parameters which electromagnetically characterise both the dielectric and conductive materials from which the textile is composed, are obtained. In order to validate the proposed simulation modelling, Chapter 3 presents different designs of structures based on substrate integrated waveguides implemented using weaving technology. The proposed designs differ in terms of the operating frequency, the design of the textile structure or in the level of integration of the transitions for the experimentally validation in the textile. In Chapter 3, two different filters are also proposed, which are based on the cosimulation between two different commercial electromagnetic simulator packages, in order to validate the simulation techniques already presented in the previous chapter. With the aim of developing prototypes to be employed as a final application. Chapter 4 presents different designs of near-field and far-field tags and antennas. These prototypes, which are completely integrated in textile, are based on different technologies such as microstrip or substrate integrated waveguide, among others, and operate in different frequency bands. The fabrication process using industrial weaving machines provides the enormous advantage of allowing the development of large prototypes as well as their large scale production. For this reason, Chapter 5 presents different types of frequency selective surfaces completely integrated in textile. Not only are these surfaces flexible, but also this characteristic provides them with different real applications. Finally, general conclusions and future lines of research are proposed.