Textile double | Groupe BoldBridge Technologies de Chongqing

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5613 (2023) Citer cet article

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Un combinateur original entièrement textile est proposé pour alimenter des capteurs proches d'un corps avec une seule source d'énergie centralisée comme un smartphone par exemple. L'invention concerne une solution permettant de prendre en compte les exigences d'un processus de production industrielle nécessitant de minimiser les mouvements d'aiguille lors d'un processus de broderie. De plus, le document montre comment prendre en charge plusieurs normes de transmission d'énergie sans fil qui existent déjà, à savoir NFC et A4WP, ou existeront pour satisfaire les énormes besoins en énergie des systèmes distribués dans le domaine IoT. Dans cet article, un nouveau système sans fil flexible basé sur le textile permettant la communication et la récupération d'énergie est proposé. Des études analytiques, numériques et expérimentales ont été menées pour démontrer que la structure possède deux fréquences de résonance à 6,8 MHz et 13,6 MHz, ce qui la rend adaptée aux normes NFC et A4WP. De plus, les pertes causées par le système sont respectivement de 2,76 dB et 1,91 dB pour A4WP et NFC. Les résultats sont successivement présentés pour mettre en évidence les spécificités de tels combinateurs multi-coils textiles. Un procédé pour obtenir une structure résonnante sans aucun composant électronique solide est expliqué.

Le développement récent des textiles connectés permet l'essor de la transmission de données et d'énergie au sein du vêtement. En effet, les capteurs embarqués dans nos tissus ont besoin d'une alimentation électrique pour fonctionner et transmettre des données. La technologie de communication en champ proche (NFC) est une solution aux sources d'énergie centralisées et au stockage de données, en particulier avec l'amélioration de la capacité de la batterie et de la mémoire. Les progrès de l'électronique ont déjà permis d'utiliser le transfert de puissance sans fil (WPT) entre les petits appareils portables et les smartphones, équipés de la technologie NFC1,2. Certains petits objets IoT comme les capteurs physiologiques peuvent nécessiter d'être parfois uniquement alimentés, éventuellement par une technologie standardisée par l'A4WP (Alliance for wireless power) récemment rebaptisée Airfuel (Air Fuel Alliance), sachant que la technologie Qi est une alternative standard, qui est déjà disponible sur le marché3,4,5. Cette dernière technologie n'a pas été retenue dans le présent travail car elle fonctionne à des fréquences très faibles autour de 300 kHz ce qui restreindrait son utilisation à des antennes parfaitement alignées et identiques pour l'émetteur et le récepteur situés à proximité du combineur. On remarque par ailleurs que la fréquence de la norme A4WP est exactement la moitié de celle de la fréquence NFC.

De nombreuses sources d'énergie peuvent être utilisées pour alimenter le e-textile, mais les smartphones sont aujourd'hui équipés d'antennes NFC et peuvent stocker, traiter et envoyer une grande quantité de données. Par conséquent, ils sont particulièrement adaptés à l'alimentation électrique et connectent les textiles intelligents à un réseau différent. Par exemple, un système de transmission d'énergie a été développé pour alimenter des textiles intelligents à partir de l'énergie mécanique d'un vélo6. Jiang et al. ont également développé une antenne textile NFC avec des fils argentés capables de transmettre des données même sous flexions7. Plus récemment, Rongzhou Lin et al. ont également publié une étude présentant un système de transmission NFC textile intégral brodé sur un vêtement8. Il vise à surveiller en temps réel les paramètres physiologiques de manière nomade, comme pendant la course à pied. Cependant, l'appareil a besoin de quelques composants électriques rigides pour fonctionner et sa fréquence de fonctionnement n'est pas ajustée à 13,56 MHz. Une autre étude sur les antennes NFC textiles s'est focalisée sur l'aspect fréquence de résonance9. Il montre que l'antenne brodée ne peut être réalisée qu'avec des matériaux et procédés textiles, et sa fréquence de résonance peut être ajustée à la technologie NFC. Enfin, l'association de plusieurs antennes textiles peut créer de nouveaux dispositifs, appelés « combinateurs », permettant de transférer un champ magnétique de 13,56 MHz à travers une surface textile10. Malheureusement, ce genre de structure comprend un point de soudure pour fermer le circuit, ce qui produit une faiblesse dans le dispositif. Il existe également des structures de réseau textile multicorps en champ proche utilisées pour la communication sur le corps développées par des métamatériaux construits à partir de réseaux d'éléments magnéto-inductifs anisotropes discrets11. Contrairement aux résultats publiés dans des articles récents sur ce sujet, nos travaux prouvent la possibilité de communiquer et de transférer de l'énergie selon deux normes sans fil différentes (NFC et A4WP) sans aucun composant électronique traditionnel. Seuls le matériau textile et les techniques de traitement sont utilisés pour concevoir et produire l'antenne et le combinateur.

Par rapport à la structure précédente10, le point de soudure a été remplacé par un condensateur textile. Dans un premier temps, une étude théorique de la structure met en évidence la présence de deux fréquences de résonance dépendant respectivement de la résonance intrinsèque de l'antenne et de la valeur de la nouvelle capacité textile. Deuxièmement, des simulations ont été menées pour évaluer les réponses électriques de la structure. Troisièmement, le coefficient de transmission S21 a été mesuré pour identifier les fréquences de résonance expérimentales. Enfin, une application pratique a été réalisée, en tant que preuve de concept.

Le combinateur textile double bande (NFC-A4WP) permet de transférer de l'énergie et des données à travers les vêtements à deux fréquences différentes, 13,56 MHz et 6,78 MHz, en utilisant des couplages par induction magnétique successifs. L'appareil est composé de plusieurs antennes pouvant servir d'émetteur ou de récepteur. Toutes les antennes sont identiques et composées d'une bobine de 40 mm, 10 spires, connectée à une ligne de transmission de 130 mm, comme illustré sur les Fig. 1a, b. Ils sont associés symétriquement, pour former un circuit composé d'une seule ligne de courant avec un processus de broderie. Deux lignes courantes, de longueurs variables, sont ajoutées au début et à la fin de la broderie. Une image et un schéma de l'appareil sont illustrés à la Fig. 1c, d. La ligne actuelle est formée en utilisant trois fils conducteurs textiles superposés Datatrans, de Tibtech Company.

(a) Photographie de l'antenne et (b) son schéma. (c) Photographie du combineur bi-bande textile à deux antennes (NFC-A4WP) et (d) son schéma. Les figures 1(b) et (d) ont été réalisées à l'aide du logiciel Inkscape v1.2.2 (https://inkscape.org/).

Les caractéristiques électriques de l'antenne sont déjà connues grâce à des études antérieures9,10. Un combinateur textile double bande (NFC-A4WP) avec deux de ces types d'antennes a été prototypé pour évaluer ses coefficients de transmission. Aussi, la longueur des lignes de courant au début et à la fin de la broderie et formant une section de la ligne de transmission parallèle est variable pour étudier son impact sur les fréquences de résonance et les coefficients de transmission.

Le combinateur textile bi-bande (NFC-A4WP) et ses schémas électriques sont présentés aux Fig. 2a, b, avec L comme inductance, C comme capacité d'une antenne, R comme résistance de bobine et r comme résistance de ligne de transmission. . Copen est la capacité de la section supplémentaire ouverte de la ligne de transmission, appelée AOETL dans la suite de l'article, avec une longueur variable formant le début et la fin de la broderie. En supposant que l'une des antennes à bobine est excitée par couplage inductif, l'impédance du circuit vue par la source de tension induite (non représentée sur la Fig. 2) peut être exprimée par l'Eq. (1) où ω est la pulsation du signal sinusoïdal et j est la racine carrée de − 1.

(a) Le combineur bi-bande textile des deux antennes (NFC-A4WP), (b) son schéma électrique et (c) un zoom sur la capacité d'ouverture Copen. (d) Cas d'un combineur à N bobines (cellules) excité par induction (source de tension inductive).

Bien que la Fig. 2b montre un combineur à 2 bobines, l'étude analytique suivante donne des équations plus généralisées adaptées à un combineur à N-bobines (1 entrée, (N-1) sorties) comme représenté sur la Fig. 2d. Chaque antenne est modélisée par une cellule avec des paramètres r, R, L et C déjà définis dans le cas du combinateur à 2 bobines. L'antenne gauche est couplée par induction à un émetteur non représenté entraînant la présence d'une source de tension Vi. Ainsi, l'impédance Zi vue par la source est donnée par l'équation suivante :

Les conditions de résonance sont obtenues lorsque la partie imaginaire de l'impédance s'annule. La capacité Copen étant en série avec une somme de circuits résonnants parallèles (bobines) peut apporter une nouvelle fréquence de résonance en plus de la résonance initiale provenant des antennes12, sauf pour deux scénarios simplifiés qui ont été étudiés analytiquement. Premièrement, le cas où le circuit ne résonne qu'à la fréquence propre de chaque antenne. Ensuite, le cas où la capacité de Copen est très faible par rapport aux capacités de l'antenne spécifique. Dans chaque cas, on soulignera les conditions qui permettent de négliger l'influence de cette ouverture. Ils sont obtenus lorsque l'impédance injectée dans le circuit est négligeable devant le module de l'impédance, noté Z', des N-1 antennes connectées en série avec lui.

Les impédances fournies par Copen et par les (N-1) antennes connectées en série sont respectivement données par les expressions suivantes :

A la résonance propre du circuit (si N antennes sont identiques), il y a \(LC\omega^{2} = 1\)Donc

À cette fréquence de résonance, il y a aussi : \(\frac{1}{{C}_{open}\omega }=\frac{1}{{C}_{open}\frac{1}{\sqrt{ LC}}}=\frac{\sqrt{LC}}{{C}_{open}}\)

Copen n'influencera pas la valeur de la fréquence de résonance si son impédance associée est bien inférieure à la valeur de l'impédance de l'ensemble des (N-1) antennes. C'est-à-dire:

Cette condition entraîne l'exigence suivante :

Dans l'autre cas particulier où Copen est extrêmement faible à côté de la capacité de l'antenne (\({C}_{open} << C\)), l'impédance totale du circuit est donnée par l'expression suivante, ε étant la valeur infinitésimale de l'impédance équivalente des (N-1) antennes.

En supposant que ε et Nr sont tous deux négligeables, l'impédance Z est donnée par l'expression :

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

La résonance apparaîtra à : \({f}_{0}=\frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}\)

Chaque combinateur textile double bande NFC-A4WP a été conçu avec le logiciel GiSBac et produit avec une machine à broder industrielle JF-0215–495 de la société ZSK. La structure a été réalisée sur un tissu de coton avec un fil conducteur Datatrans de la société Tibtech, comme fil de canette, et avec un fil de base en coton de bonneterie, comme fil supérieur. La ligne de courant composant le circuit est formée de fils conducteurs Datatrans superposés.

Toutes les caractérisations ont été réalisées dans les conditions de température de 21°C et d'humidité relative de 65% de notre laboratoire standardisé. L'analyseur de réseau vectoriel utilisé était un Agilent 8753S. La mesure des paramètres de diffusion a été réalisée grâce à une antenne sonde PCB connectée avec un câble coaxial de 1 m. Les antennes à bobine de sonde imprimées utilisées ont un rayon moyen de 22 mm, une largeur de pistes conductrices de 0,6 mm et 8 tours. Ils ont été imprimés sur un substrat FR4 de 1,6 mm d'épaisseur. L'étalonnage VNA a été effectué avec le câble coaxial pour supprimer leurs influences sur les résultats. Une photo de la configuration expérimentale de mesure des paramètres S21 du combineur et des diagrammes des mesures de transmission directe et de transmission du combineur sont présentés à la Fig. 3. La cartographie du champ électromagnétique a été réalisée avec un ScanPhone de la société Luxondes.

(a) Photo de la configuration expérimentale de mesure des paramètres du combinateur S21. (b) Schéma de la transmission directe entre les deux sondes. ( c ) Schéma de la configuration expérimentale de mesure des paramètres S21 du combineur double bande. Les figures 3(b) et (c) ont été réalisées à l'aide de Microsoft PowerPoint 2016 16.0.4266.1001 (https://www.microsoft.com/en-ca/microsoft-365/powerpoint).

Les simulations ont été réalisées avec le logiciel LTspice. Toutes les données constantes de ces simulations proviennent d'une étude publiée précédemment9. Le combinateur textile bi-bande (NFC-A4WP) avec les caractéristiques électriques de deux antennes a également été simulé pour confirmer nos résultats théoriques. Les valeurs des paramètres utilisés dans la simulation sont \(R=14,1 \Omega\), \(L=7,99 \mu H\), \(C=17,45 pF\). Ces valeurs ont été choisies à partir d'un article précédent9 et ont été adaptées à une antenne textile NFC à ligne de transmission de 40 mm, 10 spires et 130 mm. La capacité variable \({C}_{open}\) a été fixée à \(1 pF, 10 pF, 100 pF et 1000 pF\) pour visualiser son impact sur la deuxième fréquence de résonance. Une cinquième valeur de \({C}_{open}=26 pF\) a également été tracée pour mettre en évidence une structure bi-bande adaptée aux standards NFC et A4WP. La figure 4 montre les résultats de la simulation du courant circulant dans l'inductance d'une antenne.

Simulations du paramètre S21 du combineur double bande pour C open = [1pF, 10pF, 26pF, 100pF, 1000pF] de 1 à 18 MHz (valeurs simulées par LTspice).

Ces simulations mettent en évidence l'effet de la capacité d'ouverture sur l'apparition d'une seconde fréquence de résonance dans la structure. En effet, la résonance à la fréquence la plus élevée, \({f}_{\mathrm{0,2}}=13,5 MHz\), reste fixe et est égale à la fréquence de résonance des antennes qui composent le combineur. En revanche, la deuxième fréquence de résonance, \({f}_{\mathrm{0,1}}\) (à la valeur inférieure) dépend de la valeur de la capacité d'ouverture. Plus sa valeur est élevée, plus la fréquence de résonance est éloignée de \(13,5 MHz\). Enfin, comme le montre le développement analytique précédent, lorsque \({C}_{open}\) est très petit devant la capacité d'une antenne (\(C\)), alors les maxima de résonance fusionnent. Ce cas tend à apparaître sur la Fig. 3, pour Copen = 1pF qui commence à être petit par rapport à la valeur de C = 17.45pF.

Le coefficient de transmission du combinateur bi-bande textile à 2 bobines (NFC-A4WP) (paramètre S21) a été mesuré pour déterminer sa fréquence de résonance en fonction de la valeur de la capacité d'ouverture \({C}_{open}\). Pour modifier cette valeur, la longueur de l'AOETL a été réduite de 550 à 250 mm avec un pas de 50 mm. La figure 5a présente les résultats des paramètres S21 de la structure entre deux antennes couplées par induction à chaque bobine du combineur, où \({L}_{co}\) est défini comme la longueur AOETL. Le choix a été fait d'utiliser des antennes d'émission et de réception non résonnantes appelées plus tard "sondes" pour caractériser la capacité du combineur seul à transmettre les deux fréquences dans certaines conditions. Un pic de coefficient de transmission exprime une fréquence de résonance. Ces résultats mettent en évidence la présence de deux fréquences de résonance. Le premier, \({f}_{\mathrm{0,1}}\), provient de la capacité d'ouverture et varie en fonction de sa valeur. Une longueur de 250 mm de \({L}_{co}\) lui permet d'atteindre une fréquence de résonance de 5,8 MHz. La deuxième fréquence de résonance \({f}_{\mathrm{0,2}}\) est stable et sa valeur dépend des caractéristiques de l'antenne (L et C), dans ce cas,\({f}_{\mathrm {0,2}}=13,58 MHz\). Lorsque la valeur de \({L}_{co}\)(c'est-à-dire celles de la capacité d'ouverture) diminue, la première fréquence de résonance se rapproche de la seconde, d'après l'analyse théorique et les simulations.

(a) Paramètre S21 mesuré du combineur double bande textile avec une longueur d'ouverture \({L}_{co}\)(mm) variant de 250 à 550 mm. (b) Le NFC-A4WP a adapté le paramètre S21 mesuré et simulé du combinateur double bande textile de 0 à 20 MHz. Les paramètres S11 et S22 mesurés. Les fréquences standard A4WP et NFC sont mises en évidence.

Ces mesures nous ont permis de déterminer la longueur adaptée de l'AOETL pour créer une structure résonnante aux fréquences NFC et A4WP, soit 13,56 MHz et 6,78 MHz. Le prototype réalisé est composé d'une longueur d'ouverture de 360 mm. Ses paramètres S21 mesurés et simulés, ainsi que les paramètres S11 et S22 mesurés, présentés sur la Fig. 5b, font ressortir deux fréquences de résonance dans la gamme A4WP et NFC : \({f}_{\mathrm{0,1}}=6,77 \mathrm{MHz}\) et \({f}_{\mathrm{0,2}}=13,58 MHz\).

En ce qui concerne l'efficacité du transfert de puissance, la transmission directe S21, entre les deux sondes lorsqu'elles sont superposées sans la structure de combineur, a également été mesurée pour évaluer l'impact du combineur textile bi-bande NFC-A4WP sur la transmission de puissance. La transmission directe S21 est considérée comme la mesure de référence. Par conséquent, les pertes relatives \(L (dB)\), produites par la structure à leurs fréquences de résonance sont la différence entre la transmission directe S21, directe (dB), illustrée à la Fig. 3b, et le combineur textile S21, combineur ( dB), illustré à la Fig. 3c. Les valeurs du coefficient de transmission S21 (direct et via le combineur) et les pertes relatives L (dB) à 6,9 MHz et 13,58 MHz ont été présentées dans le tableau 1. Les résultats montrent des pertes relatives de 2,76 dB et 1,91 dB au premier et au secondes fréquences de résonance, respectivement. Par conséquent, le combinateur bi-bande textile (NFC-A4WP) permet de transférer de l'énergie avec un minimum de pertes, malgré les couplages successifs par induction magnétique entre les deux antennes sondes.

Le combinateur textile double bande (NFC-A4WP) vise à augmenter la plage de fonctionnement des protocoles NFC et A4WP à travers une surface textile de manière entièrement sans contact. Cependant, l'émission de champ électromagnétique doit être confinée à la zone spécifique avec les matériaux textiles.

Une cartographie des émissions de champs électromagnétiques a été réalisée sur le prototype afin de localiser les zones à forte émission et d'évaluer les pertes d'émission de la structure, en particulier le long des tronçons de ligne de transmission entre les bobines et l'AOETL. La mesure a été réalisée grâce à un ScanPhone de Luxondes13. Le combineur double bande textile a été alimenté par induction magnétique avec des signaux de 13,56 MHz et 2 Vpp provenant d'un générateur HF. La mesure de l'intensité du champ magnétique a été effectuée à 20 mm au-dessus du prototype. Les résultats, présentés à la Fig. 6, mettent en évidence deux zones à haute émission, situées sur les deux bobines, comme prévu. La cartographie montre également peu de pertes d'émission le long des tronçons de ligne de transport de l'ouvrage mais reste limitée.

Cartographie d'émission de champ électromagnétique combineur double bande textile (NFC-A4WP).

Les combinateurs multiples textiles à double bande en champ proche visent à améliorer la communication centrée sur le corps, ce qui signifie créer un transfert de puissance et de données entre un smartphone (Samsung A6 avec l'application Android NXP TagInfo) et des capteurs corporels (FreeStyle Libre, un capteur de surveillance continue d'Abott Diabetes Se soucier). Pour démontrer la faisabilité du dispositif, une preuve de concept a été réalisée. Les combinateurs multiples en champ proche double bande textile ont été intégrés au pantalon pour établir une connexion électromagnétique (alimentation et données) entre un smartphone, placé dans la poche, et un capteur de paramètres physiologiques, placé sur la cheville. La figure 7 présente le dispositif complet, le capteur et les données transmises.

(a) La preuve de concept du combineur multiple en champ proche à double bande textile, (b) les données transmises et (c) le capteur.

Cet article traite de l'utilisation d'une structure entièrement textile visant à répartir l'énergie autour du corps en utilisant un couplage résonnant inductif. Cette énergie peut provenir d'un appareil (par exemple, un smartphone ou une banque d'alimentation sans fil) qui peut prendre en charge la technologie NFC ou A4WP. La structure développée résonne déjà aux fréquences standards A4WP et NFC (6,78 et 13,56 MHz), mais le procédé de broderie permet une grande flexibilité dans la fréquence de fonctionnement. En effet, cela dépend de la géométrie de la structure comme le montrent les équations précédentes. Cela signifie qu'il est possible de développer un combinateur textile avec n'importe quelle fréquence de résonance dans la gamme MHz en ajustant le nombre de tours, le rayon ou la longueur de la ligne de transmission. L'ensemble de la structure peut être brodé sans qu'il soit nécessaire de remonter l'aiguille de la machine industrielle utilisée, ce procédé est également répétable et rapide (5 min de production pour un prototype). Par conséquent, le procédé proposé est déjà adapté à un objectif industriel. Bien que le combinateur puisse contenir plusieurs antennes de couplage de sortie, le prototype présenté est limité à un combinateur d'antenne à 2 bobines qui sert à obtenir des résultats de modélisation numérique et de mesure indiquant le comportement analytiquement prévu des cxs. Enfin, les pertes causées par les combineurs multiples en champ proche double bande textile sont acceptables pour les applications RFID, même si elles peuvent être réduites. Par exemple, en travaillant sur l'adaptation d'impédance.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié et ses fichiers d'informations supplémentaires.

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Ce travail est financé dans le cadre du programme ANR (Agence Nationale de la Recherche) dans le cadre du projet CONTEXTE ANR-17-CE24-0013-02. Les auteurs remercient François Dassonville, technicien à l'ENSAIT. Ce travail de recherche a été partiellement entrepris avec le soutien des installations de caractérisation de l'IEMN (PCMP).

Ecole Nationale Supérieure des Arts et Industries Textiles, Roubaix, France

Baptiste Garnier, François Rault, Cédric Cochrane & Vladan Koncar

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

Philippe Mariage

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BG, PM, FR, CC et VK ont conçu et conçu les structures. BG a produit les prototypes. PM et BG ont effectué les expériences et les mesures. BG a réalisé les simulations. BG, PM, FR, CC et VK ont rédigé l'article.

Correspondance à Baptiste Garnier.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Garnier, B., Mariage, P., Rault, F. et al. Combinateur textile double bande NFC-A4WP (13,56–6,78 MHz) pour la transmission sans fil d'énergie et de données pour les vêtements connectés. Sci Rep 13, 5613 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31832-0

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Reçu : 20 septembre 2022

Accepté : 17 mars 2023

Publié: 06 avril 2023

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

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