SVEUČILIŠTE U RIJECI

TEHNIČKI FAKULTET

SVEUČILIŠNI DIPLOMSKI STUDIJ ELEKTROTEHNIKE

DIPLOMSKI RAD

DIZAJN I ANALIZA TEKSTILNE ANTENE

S KRUŽNOM POLARIZACIJOM ZA E POJAS

Rijeka, svibanj, 2014. Anamaria Kolonić

0069040838

SVEUČILIŠTE U RIJECI

TEHNIČKI FAKULTET

SVEUČILIŠNI DIPLOMSKI STUDIJ ELEKTROTEHNIKE

DIPLOMSKI RAD

DIZAJN I ANALIZA TEKSTILNE ANTENE

S KRUŽNOM POLARIZACIJOM ZA E POJAS

Mentor: doc. dr. sc. Miroslav Joler, dipl. ing.

Rijeka, svibanj, 2014. Anamaria Kolonić

0069040838

IZJAVA

Sukladno članku 10. Pravilnika o diplomskom radu i diplomskom ispitu na

diplomskim sveučilišnim studijima Tehničkog fakulteta Sveučilišta u Rijeci,

izjavljujem da sam samostalno izradila diplomski rad pod nazivom: „Dizajn i

analiza tekstilne antene s kružnom polarizacijom za E pojas“ prema zadatku

602-04/13-07/42, Ur.br.: 2170-15-14-13-1. od 18. ožujka 2013.

Rijeka, svibanj, 2014. __________________

Ime Prezime

Zahvala

Zahvaljujem svom mentoru doc. dr. sc. Miroslavu Joleru, dipl. ing. na

strpljenju, pomoći i vodstvu pri izradi ovog diplomskog rada.

Hvala mojim prijateljima i kolegama, bez Vas bi sve bilo puno teže.

Najveće hvala mojim roditeljima i mojoj obitelji na razumijevanju i bezuvjetnoj

podršci tokom studiranja.

1

SADRŽAJ

1 Uvod ................................................................................................................................... 3

2 Antene ................................................................................................................................ 4

2.1 Microstrip antene......................................................................................................... 6

3 Kružna polarizacija ............................................................................................................ 9

3.1 Općeniti opis ............................................................................................................... 9

3.2 Pretvorba orijentacije ................................................................................................ 12

3.3 Lijeva i desna konvencija .......................................................................................... 12

3.3.1 Iz točke gledanja izvora ..................................................................................... 12

3.3.2 Iz točke gledanja prijemnika .............................................................................. 12

4 Radijski spektar ................................................................................................................ 14

5 Izračun parametara antene ............................................................................................... 15

5.1 Izračun za prvu vrstu antena...................................................................................... 15

5.2 Izračun za drugu vrstu antena.................................................................................... 17

6 Izrada modela za simulacije ............................................................................................. 19

6.1 Izrada modela ............................................................................................................ 19

6.2 Rezultati .................................................................................................................... 23

6.2.1 Prva vrsta antena ................................................................................................ 25

6.2.2 Druga vrsta antena ............................................................................................. 30

6.2.3 Treća vrsta antena .............................................................................................. 33

7 Tekstilni materijali za dizajn antene ................................................................................ 36

7.1 Svojstva tekstilnih materijala .................................................................................... 36

7.1.1 Dielektrična konstanta ....................................................................................... 38

7.1.2 Debljina supstrata............................................................................................... 39

7.1.3 Električna površinska otpornost vodljive tkanine .............................................. 40

2

7.1.4 Udio vlage .......................................................................................................... 42

7.1.5 Mehaničke deformacije ...................................................................................... 43

7.2 Izbor materijala ......................................................................................................... 44

7.3 Problemi konstrukcije ............................................................................................... 46

7.4 Smjernice za odabir i izradu antene .......................................................................... 48

8 Izrada................................................................................................................................ 49

8.1 Korišteni materijali .................................................................................................... 49

8.1.1 Obostrano ljepljiva folija ................................................................................... 49

8.1.2 Ljepilo ................................................................................................................ 50

8.1.3 Tkanine .............................................................................................................. 51

8.2 Postupak .................................................................................................................... 54

9 Mjerenje ........................................................................................................................... 71

9.1 Prva vrsta antena ....................................................................................................... 72

9.2 Druga vrsta antena ..................................................................................................... 76

9.3 Treća vrsta antena...................................................................................................... 81

10 Zaključak.......................................................................................................................... 88

11 Literatura .......................................................................................................................... 90

12 Popis slika ........................................................................................................................ 92

13 Popis tablica ..................................................................................................................... 94

3

1 Uvod

Ovaj je diplomski rad svojevrsni nastavak na završni rad pod nazivom Značajke biosenzora

za primjene u telemedicini, u kojem su tekstilne antene bile spomenute kao dio cjelokupnog

sustava pametne odjeće.

Tekstilne antene naša su budućnost. Samim time što su malene, fleksibilne i što imaju

mogućnost ugradnje u odjevne predmete osigurava im široku primjenu u raznim

tehnologijama i područjima od vojske do medicine.

Cilj ovoga rada je izrada tekstilne antene, testiranje njezinih svojstava i uočavanje razlike

između simuliranog i izrađenog modela antene, odnosno postizanje kompromisa između

dobrih performansi antene i dizajna sklopa. Također, cilj je upoznati se sa pojmom tekstilne

antene, mogućim načinima izrade, vrstama moguće korištenih materijala, pojmom E pojasa,

kružne polarizacije te CST Microwave Design softvera u kojem će simulacije antena biti

izrađene.

4

2 Antene

Antena je uređaj koji se koristi za pretvaranje elektromagnetske energije u prostorni

elektromagnetski val i obrnuto. Odašiljačka antena pretvara jednodimenzionalni val iz

prijenosne strukture (koaksijalne linije ili valovoda) u trodimenzionalni prostorni val,

usmjeravajući pri tome energiju u željenom smjeru. Prijemna antena prima elektromagnetsku

energiju ovisno o jačini polja koje dolazi do antene. [1]

Antena se opisuje pomoću parametara: polarizacije, dijagrama zračenja, kuta usmjerenosti,

širine snopa, usmjerenosti, dobitka, potiskivanja sekundarnih latica te impedancije.

Polarizacijom se opisuju krivulje vektora električnog polja kojeg antena zrači, odnosno

prima. Razlikujemo tri vrste polarizacije: linearnu, koja može biti horizontalna ili vertikalna,

kružnu lijevu ili desnu te eliptičnu. Za istovjetne se polarizacije vala i prijamne antene postiže

maksimalni prijenos energije. Polarizacija se može definirati pomoću aksijalnog odnosa

(omjera male i velike osi elipse u eliptičnoj polarizaciji), smjera u kojem se vrti vrh vektora

električnog polja ili orijentacije velike osi elipse u prostoru za eliptičnu polarizaciju.

Dijagramom zračenja opisuje se raspodjela gustoće snage na površini kugle, odnosno

smjerovi glavnih i sekundarnih latica, a širinom snopa kut između prvih nul točaka u

dijagramu zračenja. Dijagram zračenja obično se normira veličinom gustoće snage u smjeru

najvećeg zračenja gdje pokazuje jediničnu vrijednost. [2]

Usmjerenost pokazuje koliko puta zračena snaga izotropnog radijatora mora biti veća od

zračene snage promatrane antene, da bi na jednakoj udaljenosti gustoća snage iz izotropnog

radijatora (antena koja u svim smjerovima zrači jednako) bila jednaka gustoći snage koju

usmjerena antena zrači u smjeru maksimalnog zračenja. Dobitak ili gain govori koliko puta

mora biti veća zračena snaga izotropnog radijatora u odnosu na privedenu snagu promatrane

antene, da bi se na jednakoj udaljenosti dobila jednaka gustoća kao u smjeru maksimalnog

zračenja usmjerene antene. Dobitak je tehnički podatak antene koju daje proizvođač u dB kao

mjernoj jedinici.

Potiskivanje sekundarnih latica prikazuje omjer jakosti polja u smjeru maksimalnog zračenja

i jakosti polja u smjeru maksimuma najveće sekundarne latice.

Impedancija je omjer napona i struje na priključnicama antene, a nalazi li se antena u

slobodnom prostoru, daleko od bliskih objekata, govorimo o vlastitoj impedanciji antene.

Gubitak snage može se prikazati otporom zračenja - ekvivalentnom otporu na kojem se troši

snaga jednaka ukupnoj zračenoj snazi antene ako je struja kroz taj otpor jednaka struji kroz

5

stezaljke antene. Na sličan se način definiraju gubici u vodičima i dielektričnim dijelovima

antene, pri čemu se smatra da kroz oba otpora teče struja jednake jakosti.

Antene je moguće podijeliti na različite načine: prema karakteristikama, frekvencijskom

pojasu, parametrima, veličini itd. U grubo se antene mogu podijeliti na električki male antene

(dimenzije antene mnogo manje od valne duljine), širokopojasne antene (dijagram zračenja,

dobitak i impedancija približno stalnih vrijednosti u širokom pojasu frekvencija), rezonantne

antene (rad u jednom ili više selektivnih frekvencijskih pojaseva) i otvor-antene (primaju i

odašilju elektromagnetne valove kroz površinu otvora).

Žičane antene poput električna dipola i strujne petlje, prve su poznate vrste antena koje je

otkrio i upotrebljavao Hertz u svojim prvim eksperimentima s elektromagnetskim valovima, a

kasnije su se koristile u prvim antenama na području radijskih ili bežičnih komunikacija.

Hertzov dipol je jedna od najjednostavnijih struktura zračenja, uz nedostatak iznimno

neučinkovitog zračenja zbog izrazito malog otpora zračenja, zbog čega ga je nemoguće

prilagoditi uobičajenoj unutarnjoj impedanciji radiofrekvencijskih generatora (50 Ω).

Postavljanjem više istovjetnih antena u pravilne matrične strukture (nizove) mogu se dobiti

vrlo usmjereni izvori elektromagnetskog zračenja, odnosno antenski nizovi.

Jedna od najjednostavnijih mikrovalnih antena, ljevak antena, dobivena je postupnim

otvaranjem pravokutnog ili kružnog valovoda u strukturu ljevkasta oblika, a budući da zrači

kroz otvor, tj. površinu, pripada površinskim ili otvor-antenama. U tu skupinu spadaju i

reflektorske i leća antene koje se koriste za usmjerene radijske veze, daljinska istraživanja i

radioastronomiju u višem mikrovalnom području.

Za ultra širokopojasne primjene, UWB pojas (engl. Ultra-Wide-Band), potrebne su antene

čija se impedancija i dijagram zračenja te usmjerenost previše ne mijenjaju unutar

frekvencijskog pojasa od nekoliko oktava.

Posebnu skupinu antena čine antene niskog profila koje su kompatibilne s tehnologijom

mikrovalnih integriranih krugova i mogu se izvesti pomoću mikrotrakastih linija. Budući da

tekstilna antena pripada kategoriji mikrotrakastih antena, slijedi njihov detaljniji opis. [3]

6

2.1 Microstrip antene

Microstrip, odnosno mikrotrakaste antene niskog su profila, prilagodive planarnim i

neplanarnim površinama, jednostavne su i jeftine izrade i sve se više koriste u novim -

modernim tehnologijama. Lako se prilagode u odnosu na rezonantnu frekvenciju, polarizaciju

i impedanciju. Upravo se zbog navedenih karakteristika sve više koriste u tehnologijama

izrada zrakoplova, svemirskih letjelica, projektila, odnosno aplikacijama u kojima su veličina,

težina, cijena, performanse, jednostavnost instalacije i aerodinamički profili ograničeni.

Microstrip antene se osim navedenih aplikacija koriste u mobilnim i bežičnim

komunikacijama koje imaju slične specifikacije.

Osnovni nedostaci microstrip antena su niska učinkovitost, slaba snaga, visoki Q faktor

(ponekad i iznad 100), slaba čistoća polarizacije, slabe scan performanse te uska

frekvencijska širina pojasa, što je izuzetno poželjno u nekim aplikacijama (npr. sustavi

zaštite). Postoje metode za povećavanje učinkovitosti antene, kao npr. povećanje veličine

supstrata, no povećanjem visine supstrata javljaju se površinski valovi koji nisu poželjni jer

izvlače snagu iz ukupne snage koja je na raspolaganju za izravno zračenje. Površinski valovi

putuju duž supstrata i raspršeni su duž površinskih diskontinuiteta te umanjuju uzorak antene

i karakteristike polarizacije. Mogu se eliminirati osiguravanjem velike širine pojasa.

Microstrip antene sastoje se od vrlo tanke metalne trake, odnosno flastera

postavljenog malo iznad ravnine

uzemljenja Traka je dizajnirana tako da je

maksimum uzorka normala trake, što se postiže pravilnim izborom konfiguracije polja

pobude ispod trake. Za pravokutnu traku duljina elementa L iznosi

. Traka je od

ravnine uzemljenja odjeljena dielektričnom pločom - supstratom. [4]

7

Slika 2.1 Mikrotrakasta antena. Izvorno objavljeno u [4].

Supstrati koji se koriste u izradi microstrip antena imaju dielektričnu konstantu u rasponu od

. Antena će imati bolje performanse s tankim supstratima s dielektričnom

konstantom bližoj donjoj vrijednosti, jer se tako osigurava bolja učinkovitost antene, veća

širina pojasa, slabo vezana polja za radijaciju u prostoru uz glavni nedostatak - veću veličinu

elemenata. Većom dielektričnom konstantom supstrata postiže se minimizacija neželjene

radijacije i korištenje manjih elemenata, koji zbog velikih gubitaka imaju manju učinkovitost

i manju širinu pojasa. Budući da su microstrip antene često integrirane s drugim mikrovalnim

sklopovima, potrebno je postići kompromis između dobrih performansi antene i dizajna

sklopa.

Radijacijski elementi i linije napajanja najčešće su jetkani na dielektrični supstrat.

Radijacijski flaster (eng. patch) može biti kvadratni, pravokutni, dipol, kružni, što su ujedno i

najčešći korišteni oblici zbog jednostavnosti analize i izrade te karakteristika radijacije. Ovi

oblici, kao i svi ostali, prikazani su na slici 2.2. Najpoznatija i najčešće korištena

konfiguracija je upravo pravokutna, koju je moguće analizirati metodom prijenosnih linija

(eng. transmission line) i metodom šupljina (eng. cavity model). Metoda prijenosnih linija je

najjednostavnija metoda koja daje dobar fizikalni pregled, ali je nedovoljno precizna, dok je

metoda šupljina točnija u odnosu na prethodnu metodu, ali samim time i kompleksnija. U

radu je korištena metoda prijenosnih linija. [3, 4]

8

Slika 2.2 Oblici mikrotrakastih antena. Izvorno objavljeno u [5]

Linearna i kružna polarizacija mogu se postići s jednim elementom ili nizom microstrip

antena.

Postoji mnogo konfiguracija napajanja microstrip antena. Četiri najpoznatije su:

mikrostrip linija - vodljivi flaster koji je puno manji u odnosu na antenu. Jednostavan

je za izradu, ali se povećanjem debljine supstrata povećavaju površinski valovi i

ometajuća radijacija (eng. spurious radiation) čime se ograničava širina pojasa.

koaksijalna sonda - unutarnji vodič spojen je na radijacijski flaster, dok je vanjski

vodič spojen na ravninu uzemljenja. Sonda je jednostavna za izradu i ima slabu

ometajuću radijaciju. Ima usku širinu pojasa, čime je otežano modeliranje, posebno za

tanke supstrate .

aperture coupling - konfiguracija koju je, u odnosu na ostale tri najteže izraditi, ali

jednostavno za modelirati. Sastoji se od dva supstrata koja su odvojena ravninom

uzemljenja. Na donjoj strani donjeg supstrata nalazi se microstrip linija napajanja čija

je energija spojena na flaster kroz prorez na ravninu uzemljenja koja odvaja dva

supstrata što omogućuje neovisnu optimizaciju mehanizma napajanja te radijacijskog

elementa. Gornji supstrat čini materijal male dielektrične konstante, a donji supstrat

materijal velike dielektrične konstante. Ravnina uzemljenja između dva supstrata

izolira napajanje od radijacijskog elementa i minimizira interferenciju ometajuće

radijacije za formiranje uzorka i čistoću polarizacije. Električni parametri supstrata,

širina napojne linije i veličina proreza koriste se u optimiranju dizajna.

proximity coupling - najveća širina pojasa u odnosu na preostale tri konfiguracije uz

nisku ometajuću radijaciju. [4]

9

3 Kružna polarizacija

U elektrodinamici, kružna polarizacija elektromagnetskog vala je polarizacija kod koje se ne

mijenja snaga električnog polja prolazećeg vala, već smjer u kružnom obliku. Fenomen

polarizacije proizlazi kao posljedica ponašanja svjetla kao dvodimenzionalnog transverzalnog

vala.

Jačina i smjer električnog polja definirani su vektorom električnog polja. Kod kružno

polariziranog vala vrh vektora električnog polja u nekoj točki u prostoru opisuje krug u

vremenu. Ako je val „zamrznut“, odnosno zaustavljen u vremenu, vektor električnog polja

opisuje spiralu duž smjera propagacije. Kružna polarizacija je graničan slučaj eliptične

polarizacije. Drugi poseban slučaj je linearna polarizacija

Slika 3.1 Vrste polarizacije antene.

Izvorno objavljeno u [2].

3.1 Općeniti opis

Na slici 3.2 prikazan je vektor električnog polja kružno polariziranog elektromagnetnog vala

koji ima konstantnu magnitudu ali se njegov smjer kružno mijenja - rotira u vremenu.

10

Slika 3.2 Vektor električnog polja.

Izvorno objavljeno u [6].

Svaki vektor predstavlja magnitudu i smjer električnog polja za cijelu ravninu koja je

okomita na osi. Na slici je prikazan kružno polarizirani ravni val, čiji vektor pokazuje da

električno polje, od ravnine do ravnine, ima konstantnu jačinu, dok se njegov smjer stalno

mijenja.

Budući da je ovo elektromagnetni val, svaki vektor električnog polja ima odgovarajući vektor

magnetskog polja pod pravim kutem u odnosu na vektor električnog polja i proporcionalan je

njegovoj veličini. Kao rezultat, vektor magnetnog polja ocrtava drugu spiralu. Priroda kružne

polarizacije i njezina veza s drugim polarizacijama često se pojašnjava kao električno polje

podijeljeno u dvije komponente koje su pod pravim kutem. [4]

Slika 3.3 Desno kružno polarizirani val - lijevo kružno

polarizirani val iz smjera izvora. Izvorno objavljeno u [7].

11

Vertikalna komponenta i odgovarajuća ravnina prikazane su na slici 3.3 plavom bojom, dok

je horizontalna komponenta sa pripadajućom ravninom prikazana zelenom bojom. Udesno (u

ovisnosti o smjeru kretanja) horizontalna komponenta prethodi u odnosu na vertikalnu

komponentu za četvrtinu valne duljine. Upravo je ta četvrtina faze veza koja stvara spiralu i

uzrokuje da točke maksimuma magnitude vertikalne komponente odgovaraju točkama nulte

magnitude horizontalne komponente i obrnuto. Rezultat ovog poravnanja je postojanje

vektora, odgovarajućih spirali, koji točno odgovaraju maksimumu vertikalnih i horizontalnih

komponenti (jedine spirale koje se prikazuju). Za lakše razumijevanje kako četvrtina faze

utječe na rotaciju električnog polja, uz održavanje konstantne magnitude, moguće je zamisliti

kao točku koja se kreće u smjeru kazaljke na satu. Vertikalni i horizontalni pomak točke, u

odnosu na centar kruga, variraju sinusoidalno u vremenu i van su faze za četvrtinu ciklusa.

Pomak iznosi četvrtinu ciklusa jer je pomak horizontalnog maksimuma dosegnuo četvrtinu

ciklusa prije nego je dosegnut pomak vertikalnog maksimuma. Centar kruga putuje duž osi

od naprijed prema natrag. Točka kružnice ocrtat će spiralu s pomakom ulijevo, vodeći

vertikalni pomak. Kao što su horizontalni i vertikalni pomak rotirajuće točke pomaknuti u

fazi za četvrtinu ciklusa u vremenu, magnitude horizontalne i vertikalne komponente

električnog polja su van faze za četvrtinu valne duljine. Slikom 3.4 prikazano je pravilo lijeve

ruke, smjera obrnutog od kazaljke na satu, gledan od strane prijamnika. Budući da se radi o

pravilu lijeve ruke, desna strana (ovisi o smjeru kretanja) horizontalne komponente zaostaje

za četvrtinu valne duljine. [4,7]

Slika 3.4 Lijevo kružno polarizrani val - desno kružno

polarizirani val iz smjera izvora. Izvorno objavljeno u [7].

12

3.2 Pretvorba orijentacije

Obzirom na simetriju kružno polariziranog vala, moguće je izabrati bilo koje druge

ortogonalne komponente i pronaći istu vezu faze između njih. Prema Ne-Kartezijevim

dekompozicijama svaka polarizacija može biti rastavljena na dvije kružno polarizirane

komponente suprotnih smjerova i odvojenih amplituda. Pretvorba orijentacije može se izvršiti

rotacijom faze i refleksijom. [4,7]

3.3 Lijeva i desna konvencija

Kružna se polarizacija može opisati prema pravilu lijeve i desne ruke te u smjeru kazaljke na

satu, odnosno u obrnutom smjeru od smjera kazaljke na satu, u ovisnosti o smjeru u kojem se

vektor električnog polja okreće. Postoje dvije oprečne konvencije. [4,7]

3.3.1 Iz točke gledanja izvora

Polarizacija je definirana iz točke gledanja izvora. Pravila lijeve/desne ruke određena su

postavljanjem lijevog/desnog palca od izvora u smjeru širenja propagacije i obuhvaćanjem

zavojnice prstima u smjeru rotacije polja u datoj točki u prostoru. Za određivanje smjera

kružne polarizacije (u smjeru/suprotno od smjera kazaljke na satu) potrebno je gledati od

izvora u smjeru propagacije vala.

3.3.2 Iz točke gledanja prijemnika

Polarizacija je definirana sa strane gledišta prijemnika. Lijeva/desna orijentacija određene su

postavljanjem lijevog/desnog palca prema izvoru, suprotno od smjera propagacije i

obuhvaćanjem zavojnice prstima zbog određivanja trenutne rotacije polja.

13

Ukoliko se val desne orijentacije zamrzne u vremenu i prstima desne ruke obuhvati

zavojnica, palac će pokazivati u smjeru u kojem se zavojnica širi, dajući smjer rotacije.

Prilikom određivanja je li kružna polarizacija u smjeru kazaljke na satu ili u suprotnom

smjeru, uzima se točka prijemnika i tijekom gledanja prema izvoru, suprotno smjeru

propagacije, promatra se smjer trenutne rotacije polja.

Obje su konvencije ovisne o smjeru propagacije.

Kod mikrotrakastih antena kružnu je polarizaciju moguće odsimulirati na više načina,

korištenjem različitih priključaka napajanja ili male promjene elemenata od kojih se antena

sastoji. Jedan od načina je postavljanje dva ortogonalna moda s vremensko - faznim

pomakom od 90˚ što je moguće postići prilagodbom fizikalnih dimenzija patcha. Kod

kvadratnih oblika patcha dovoljno je napajati dva suprotna kraja patcha. Razlika u četvrtini

faze dobiva se napajanjem sa 90˚ djeliteljem snage (dva izlaza, na svakom polovica snage s

90˚ izvan faze). [4,7]

14

4 Radijski spektar

E pojas pokriva radijske frekvencije između 2 i 3GHz u elektromagnetskom spektru, što

odgovara valnim duljinama između 15 i 10 cm. E pojas pripada gornjem UHF pojasu radio

spektra, odnosno pripada S pojasu starije IEEE klasifikacije.

Novija poimanja E pojas svrstavaju u vrlo visoke frekvencijske pojase od 71 do 76 GHz, 81

do 86 GHz i koriste se za point-to-point komunikacije vrlo visokog kapaciteta. [8,9]

Tablica 4.1 EU, NATO frekvencijske oznake pojasa.

Izvorno objavljeno u [8]

Pojas Frekvencijski opseg

A 0 - 0.25 GHz

B 0.25 - 0.5 GHz

C 0.5 - 1 GHz

D 1 - 2 GHz

E 2 - 3 GHz

F 3 - 4 GHz

G 4 - 6 GHz

H 6 - 8 GHz

I 8 - 10 GHz

J 10 - 20 GHz

K 20 - 40 GHz

L 40 - 60 GHz

M 60 - 100 GHz

15

5 Izračun parametara antene

Prije izrade simulacija i same antene potrebno je bilo proračunati parametre antene. Izračun je

rađen prema metodi prijenosnih linija.

Metoda prijenosnih linija je izrazito jednostavna ali i najmanje točna metoda, koja

mikrotrakastu antenu predstavlja kao dva isječka odvojena prijenosnom linijom niske

impedancije duljine L. Budući da su dimenzije patcha konačne i ograničene, polja na

rubovima patcha podliježu tzv. fringe efektima - efektima gdje linije toka “skaču“ iz jedne

površine u drugu. Fringe efekt javlja se kad električno polje proširuje područje preklapanja.

Kada se udvostruči područje paralelene ploče (patcha), područje preklapanja se udvostručuje,

ali ne i fringe efekti. [4,10,11]

Debljina sloja supstrata iznosi 0.78mm, a pozivajući se na [12] gdje je debljina istog

korištenog supstrata 3mm, odnosno 4mm, odlučila sam napraviti antene sa dvije debljine

supstrata, odnosno 5 i 6 slojeva tkanine. Slijedi izračun za dvije vrste antena, prvu za debljinu

supstrata h=3.9mm i drugu za h=4.68mm.

5.1 Izračun za prvu vrstu antena

Za izračun parametara patcha (širina i duljina patcha) potrebno je poznavati

dielektričnu konstantu supstrata , rezonantnu frekvenciju , i visinu supstrata .

Prvi korak je izračun širine patcha, koja je obrnuto proporcionalna rezonantnoj frekvenciji

i pod korijenom obrnuto proporcionalna dielektričnoj konstanti supstrata .

(1)

gdje je brzina svjetlosti, rezonantna frekvencija.

16

(2)

gdje je relativna permitivnost, visina supstrata, izračunata širina patcha.

(3)

(4)

gdje je dodatna duljina na obje strane patcha, efektivna relativna permitivnost.

(5)

gdje je duljina patcha.

(6)

gdje je efektivna duljina patcha.

17

5.2 Izračun za drugu vrstu antena

(7)

gdje je brzina svjetlosti, rezonantna frekvencija.

(8)

gdje je relativna permitivnost, visina supstrata, izračunata širina patcha.

(9)

(10)

gdje je dodatna duljina na obje strane patcha, efektivna relativna permitivnost.

(11)

18

gdje je duljina patcha.

(12)

gdje je efektivna duljina patcha. [4]

Uvrštavanjem dobivenih vrijednosti i , u prvom i drugom slučaju krivulje nisu

zadovoljale, odnosno u E pojasu vrijednost parametara nije prelazila -5dB, stoga se

pristupilo optimizaciji parametara na temelju koje su dobivene sadašnje vrijednosti

i . Vrijednosti koordinata su zaokružene na cijelu vrijednost radi lakšeg

iscrtavanja modela patcha na tkanini prilikom procesa izrade.

Izračun koordinata prema [4] nije zadovoljio rezultatima, stoga je slijedeći korak bila

optimizacija koja se pokazala izrazito uspješnom.

19

6 Izrada modela za simulacije

CST Microwave studio (dalje u tekstu MWS) je specijalizirani alat za elektromagnetne 3D

simulacije visoko frekvencijskih komponenti, koji omogućava brze i točne analize visoko

frekvencijskih uređaja kao npr. antena, filtera te raznih planarnih struktura i to u vremenskoj i

frekvencijskoj domeni. Softver će se koristiti za sve prikazane simulacije u radu. [13]

6.1 Izrada modela

Prilikom pokretanja programa nekoliko je predložaka ponuđeno, a budući da je rađena

tekstilna antena planarna, izabran je predložak Antenna (Planar) kako je prikazano na slici

6.1.

Slika 6.1 Prozor Create a New Project

Izabrani predložak ima slijedeće postavke simulacije:

- mjerna jedinica za frekvenciju je GHz, za duljinu milimetar

- medij u kojem se model nalazi je vakuum

20

- uvjeti granica postavljeni su na all open

- mesh opcije optimizirane su za planarnu strukturu kako je prikazano na slici 6.2:

o izabrana je heksahedralna mreža s automatskim generiranjem

o broj linija mreže po valnoj duljini (eng. lines per wavelength) postavljen je na 10 a

donja granica gustoće mreže (eng. lower mesh limit) na 5

o omjer između najveće i najmanje ćelije (eng. mesh line ratio limit) postavljen je na

20.

Slika 6.2 Postavke mesh opcije

Nakon pokretanja programa, slijedeći korak bio je postavljanje frekvencijskog raspona

simulacije od do .

Izrada antene sastoji se od nekoliko koraka: izrade slojeva GND-a, supstrata i patcha,

postavljanja točke porta i sloja pokrova. Kod izrade programa gdje god je bilo moguće, za

definiranje parametara korišteni su izrazi i jednadžbe umjesto numeričkih vrijednosti, čime je

svaka modifikacija izrazito olakšana kao i ažuriranje modela (pritiskom na tipku F7). Osim

liste varijabli parametarski su definirane i varijable kako je prikazano na slici 6.3.

21

Tako su duljina i širina supstrata definirane parametarski obzirom da su jednakih

vrijednosti kao duljina i širina GND-a .

Slika 6.3 Parametarski definirane varijable

Parametarski su također definirane vrijednosti kocke koja predstavlja sloj Grounda. Na isti su

način definirane vrijednosti kocke za slojeve supstrata, patcha i pokrova te porta.

Svaki sloj ima definiran materijal od kojeg je napravljen, s pripadnim karakteristikama. Tako

su GND i patch stavljeni kao PEC (eng. Perfect Electric Conductor), tj. savršeni električni

vodič, koji je simulacijski izrazito dobra aproksimacija za stvarne metale od kojih su rađeni

ravnina uzemljenja i patch. Kao materijal za slojeve supstrata i pokrova izabran je jeans,

kojem su postavke morale biti ručno unesene budući da takvog materijala nema u knjižnici

materijala (eng. Material library).

Nakon dimenzija i materijala antene potrebno je definirati i poziciju pobude, odnosno porta.

U prozoru Discrete Edge Port potrebno je odrediti tip porta (u ovim simulacijama S-

Parameter), impedanciju i poziciju porta preko parametarskih vrijednosti po x-osi, y-osi i z-

osi. Upravo je definiranje pozicije porta ključno za ostvarivanje kružne polarizacije kod

antena, koja se ostvaruje pozicioniranjem točke porta na dijagonalu odnosno u području ispod

dijagonale patcha, a ovisi o koordinatama i kako je prikazano na slici 6.4.

22

Pomakom koordinata i mijenja se lokacija porta po x-osi i y-osi i dobivaju se različite

vrijednosti kružne polarizacije. [4]

Slika 6.4 Postavke porta

Posljednji korak prije pokretanja simulacije je definiranje monitora polja, odnosno dodatnih

analiza izračunatih podataka, tako se uz standardne rezultate koji se prikazuju kod svih

simulacija: S-parametri, ulazni signali, efikasnost, mogu izabrati i analize električnog i

magnetskog polja, prikaz i analiza dijagrama zračenja, prikaz površinske struje itd. Za ove je

simulacije uključena samo analiza dijagrama zračenja. [10]

Slika 6.5 Opcija Monitor

Nakon dizajniranja antene uslijedila je simulacija. Sve su simulacije rađene preko

tranzijentnog procesa (eng. Transient solver), čije su postavke ostavljene na standardnim

vrijednostima.

23

Slika 6.6 Parametri Transient solvera

6.2 Rezultati

Rađene su simulacije za tri vrste antena:

• 1. vrsta antena ima dimenzije GND-a 50x57 i debljinu supstrata 4.68 mm,

• 2. vrsta antena ima dimenzije GND-a 50x57 i debljinu supstrata 3.9 mm,

• 3. vrsta antena ima dimenzije GND-a 70x80 i debljinu supstrata 3.9 mm.

Kod svake su se simulacije očitavali slijedeći parametri: vrijednost parametra u dB,

rezonantna frekvencija u GHz, radijacijska i totalna učinkovitost u dB te usmjerivost u dbi.

Totalna učinkovitost očitavala u dB, zatim se preračunavala u postotke i to na sljedeći način:

(13)

24

gdje je totalna učinkovitost koju moramo izračunati, a totalna učinkovitost

očitana iz simulacije.

Slijedi:

(14)

Odnosno, da bi dobili totalnu učinkovitost u postocima:

(15)

gdje je totalna učinkovitost izražena u postocima.

Drugi parametar koji se računao bila je širina pojasa. Širina pojasa opisuje frekvencijski

opseg u kojem antena pravilno zrači ili prima energiju. Razlikujemo apsolutnu i relativnu

širinu pojasa.

Apsolutnu širinu pojasa dobijemo kao razliku gornje i donje frekvencije očitane na -10dB i

izražava se u MHz.

(16)

gdje je gornja frekvencija izmjerena na -10dB a donja frekvencija izmjerena na -10dB.

25

Relativna se širina pojasa izražava u postocima i računa se kao:

. (17)

6.2.1 Prva vrsta antena

Za prvu vrsta antena odabrane su tri simulacije sa različitim vrijednostima koordinata porta

i . Pozicija porta prikazana je slikom 6.7 a poprečni presjek antene slikom 6.8 kojom je

prikazan i izgled konektora koji prolazi kroz antenu.

Slika 6.7 Tlocrt antene i pozicija porta

26

Slika 6.8 Poprečni presjek antene

Vrijednosti koordinata porta dobivene su optimizacijom. Za vrijednosti koordinata

i vrijednost parametra je pri od 2.41GHz iznosila -18 dB, uz

učinkovitost od 76.4% i apsolutni BW od 99.8 MHz odnosno relativni BW od 4.14%.

Za vrijednosti koordinata i vrijednost parametra je pri od

2.42GHz iznosila -21.38 dB, uz učinkovitost od 80.7% i apsolutni BW od 115.4 MHz

odnosno relativni BW od 4.756%.

Optimizacijom i vrijednosti u CST-u pod uvjetima ograničenja parametara od -30

do -15 dB dobivene su vrijednosti od 12mm za i 4mm za . Za dobivene vrijednosti

koordinata, vrijednost je pri od 2.5GHz iznosila -21.9 dB, uz učinkovitost od 88.2% i

apsolutni BW neočekivano velike vrijednosti od 281.6 MHz odnosno relativni BW od

10.99%.

Sve mjerene i izračunate vrijednosti za prvu vrstu antena prikazane su tablicom 6.1.

27

Tablica 6.1 Mjerene i izračunate vrijednosti prve vrste antena

Parametar Mjerna jedinica Simulacija 1 Simulacija 2 Simulacija 7

L, duljina supstrata mm 50 50 50

Lg, duljina GND mm 50 50 50

Lp, duljina patch mm 39 39 39

W, širina supstrata mm 57 57 57

Wg, širina GND mm 57 57 57

Wp, širina patch mm 46 46 46

h, visina supstrata mm 4,68 4,68 4,68

px, konektor x mm 6,50 7,70 12,00

py, konektor y mm 6 5,5 4

t, visina patch mm 0,1 0,1 0,1

tg, visina GND mm 0,35 0,35 0,35

d, debljina pokrova mm 0,78 0,78 0,78

s11 dB -18.067 -21,3785 -21,905

fr GHz 2,41 2,424 2,5

Rad. Effic. dB -0,07612 -0,2585 -0,518

Tot. Effic. dB -1,167 -0,9315 -0,5459

Tot. Effic. % 76,436 80,696 88,188

Dir. dBi 7,634 7,644 7,688

fh GHz 2,4616 2,4843 2,7029

fl GHz 2,3618 2,3689 2,4213

BW (apsolutni) MHz 99,8 115,4 281,6

BW (relativni) % 4,138 4,756 10,991

Zbog svojih dobrih karakteristika - vrijednosti parametara, rezonantne frekvencije koja je

blizu 2.45GHz, dakle frekvenciji kojoj se želimo približiti, dobre vrijednosti totalne

učinkovitosti i širine pojasa, za izradu je izabrana simulacija pod brojem 2, odnosno za

vrijednosti i .

28

Slika 6.9 Vrijednost parametara

Slikom 6.9 prikazana je vrijednost parametara za izabrane vrijednosti i , a slikom

6.10 radijacijsko polje antene te lijeva i desna polarizacija iz koje se vidi kako je kod antene

jače izražena desna polarizacija.

29

Slika 6.10 Radijacijsko polje antene te lijeva i desna polarizacija

30

6.2.2 Druga vrsta antena

Za drugu vrstu antena odabrane su dvije simulacije sa različitim vrijednostima koordinata

porta i .

Za vrijednosti koordinata i vrijednost je pri od 2.44GHz

iznosila -39.5 dB, uz učinkovitost od 80.1% i apsolutni BW od 110.2 MHz odnosno relativni

BW od 4.5%.

Za vrijednosti koordinata i vrijednost je pri od 2.45GHz

iznosila -24.9 dB, uz učinkovitost od 82.87% i apsolutni BW od 115.4 MHz, odnosno

relativni BW od 4.7%.

Sve mjerene i izračunate vrijednosti za drugu vrstu antena prikazane su tablicom 6.2.

Tablica 6.2 Mjerene i izračunate vrijednosti druge vrste antena

Parametar Mjerna jedinica Simulacija 3 Simulacija 4

L, duljina supstrata mm 50 50

Lg, duljina GND mm 50 50

Lp, duljina patch mm 39 39

W, širina supstrata mm 57 57

Wg, širina GND mm 57 57

Wp, širina patch mm 46 46

h, visina supstrata mm 4,68 4,68

px, konektor x mm 6,50 7,70

py, konektor y mm 6 5,5

t, visina patch mm 0,1 0,1

tg, visina GND mm 0,35 0,35

d, debljina pokrova mm 0,78 0,78

s11 dB -24,9828 -39,49819

fr GHz 2,45 2,44

Rad. Effic. dB -0,5153 -0,4392

Tot. Effic. dB -0,8161 -0,9629

31

Tot. Effic. % 82,869 80,114

Dir. dBi 7,64 7,629

fh GHz 2,5136 2,4967

fl GHz 2,3982 2,3865

BW (apsolutni) MHz 115,4 110,2

BW (relativni) % 4,699 4,513

Zbog svojih dobrih karakteristika - vrijednosti parametara, rezonantne frekvencije koja je

blizu 2.45GHz, dakle frekvenciji kojoj se želimo približiti, dobre vrijednosti totalne

učinkovitosti i širine pojasa za izradu je izabrana simulacija pod brojem 4, odnosno za

vrijednosti i .

Slikom 6.11 prikazana je vrijednost parametra za izabrane vrijednosti i a slikom

6.12 radijacijsko polje antene te lijeva i desna polarizacija iz koje se vidi kako je kod antene

jače izražena desna polarizacija.

Slika 6.11 Vrijednost parametara

32

Slika 6.12 Radijacijsko polje antene te

lijeva i desna polarizacija

33

6.2.3 Treća vrsta antena

Za treću vrstu antena odabrane su dvije simulacije sa različitim vrijednostima koordinata

porta i ali i različitim dimenzijama u odnosu na prve dvije antene. Tako ova vrsta

antene ima dimenzije ravnine uzemljenja 70mm x 80mm, u odnosu na prijašnje 50mm x

57mm.

Za vrijednosti koordinata i , vrijednost parametra je pri od

2.43GHz iznosila -21.68 dB, uz učinkovitost od 84.67% i apsolutni BW od 133 MHz

odnosno relativni BW od 5.46%.

Za vrijednosti koordinata i vrijednost parametra je pri od

2.44GHz iznosila -27.56 dB, uz učinkovitost od 86.58% i apsolutni BW od 154.7 MHz

odnosno relativni BW od 6.3%.

Sve mjerene i izračunate vrijednosti za treću vrstu antena prikazane su tablicom 6.3.

Tablica 6.3 Mjerene i izračunate vrijednosti treće vrste antena

Parametar Mjerna jedinica Simulacija 5 Simulacija 6

L, duljina supstrata mm 70 70

Lg, duljina GND mm 70 70

Lp, duljina patch mm 39 39

W, širina supstrata mm 80 80

Wg, širina GND mm 80 80

Wp, širina patch mm 46 46

h, visina supstrata mm 3,90 3,90

px, konektor x mm 6,50 7,70

py, konektor y mm 6 5,5

t, visina patch mm 0,1 0,1

tg, visina GND mm 0,35 0,35

d, debljina pokrova mm 0,78 0,78

s11 dB -21,68348 -27,56

fr GHz 2,43 2,4449

34

Rad. Effic. dB -0,276 -0,3901

Tot. Effic. dB -0,7227 -0,6255

Tot. Effic. % 84,670 86,586

Dir. dBi 8,068 8,068

fh GHz 2,5016 2,5304

fl GHz 2,3686 2,3757

BW (apsolutni) MHz 133 154,7

BW (relativni) % 5,462 6,306

Zbog svojih dobrih karakteristika - vrijednosti parametara, rezonantne frekvencije koja je

blizu 2.45GHz, dakle frekvenciji kojoj se želimo približiti, dobre vrijednosti totalne

učinkovitosti i širine pojasa, za izradu je izabrana simulacija pod brojem 6, odnosno za

vrijednosti i . Osim spomenutih karakteristika izbor ovih

vrijednosti koordinata porta omogućuje izravnu usporedbu utjecaja veličine ravnine

uzemljenja na rezultate simulacija.

Slikom 6.13 prikazana je vrijednost parametra za izabrane vrijednosti i a slikom

6.14 radijacijsko polje antene te lijeva i desna polarizacija iz koje se vidi kako je kod antene

jače izražena desna polarizacija.

Slika 6.13 Vrijednost parametara

35

Slika 6.14 Radijacijsko polje antene te

lijeva i desna polarizacija

36

7 Tekstilni materijali za dizajn antene

Osnovna dva uvjeta za dizajn i izradu tekstilne antene su planarna struktura i fleksibilna

konstrukcija materijala. Planarna struktura omogućava integraciju antene u radio

frekvencijskim krugovima, uz ugradnju u tkaninu na najmanje invazivan način, uz vrlo nisku

maksimalno ostvarivu učinkovitost širine pojasa.

Nosiva tekstilna antena je podosta lagana, ne zahtijeva velika održavanja, čvrsta je, jeftina i

jednostavna za integraciju ali glavni nedostatak nalazi u sporoj vezi između tkanine i

komunikacijskog sustava.

Materijali koji se koriste za izradu antene su električki vodljivi tekstili za GND i patch te

električki ne vodljivi tekstili (izolatori) kao npr. pamuk, jeans, poliester za supstrat. Tekstili

su porozni, anizotropni, komprimirani, vlaknasti materijali čija su svojstva određena

svojstvima građevnih vlakana i strukturom pređe. Kod tekstila se sa promjenom tlaka mijenja

njihova debljina i gustoća. Permitivnost i debljina dielektričnog supstrata utječu na širinu

pojasa i učinkovitost performansi microstrip antene, dok vodljivost materijala korištenih za

GND i patch utječe na učinkovitost antene i poželjno je da bude što veća moguća. [14]

7.1 Svojstva tekstilnih materijala

Tkanina je tekstilni proizvod koji se dobiva ispreplitanjem niti pod pravim kutom i po

pravilima veza - tkanja. Tkanine mogu biti izrađene od prirodnih vlakana biljnog porijekla

(pamuk ili lan), životinjskog porijekla (svila, vuna) te umjetnih vlakana ili mješavine

prirodnih i sintetičkih vlakana.

Uzdužni sustav niti naziva se osnovom, a poprečni potkom. Gornja strana tkanine naziva

se lice, donja naličje, također postoje tkanine sa dva lica. Za razliku od pletiva, tkanine se ne

mogu rukom istezati ni uzdužno ni poprečno, već samo djelomično u dijagonalnom smjeru.

Gustoća veza ovisi o vrsti veza i bitno utječe na svojstva tkanina, posebno na ona mehanička

(čvrstoća, otpornost na smicanje, savitljivost ili krutost), a određuje i njezin izgled, odnosno

teksturu. Svojstva tkanine određena su i drugim čimbenicima kao npr. vrsta i finoća vlakana

od kojih je izrađena pređa za osnovu i potku, vrsta pređe za osnovu i potku, njezina finoća,

37

uvojitost i jednoličnost, način, odnosno tehnika tkanja, gustoća niti po osnovi i potki te

poroznost, debljina, plošna i volumna masa, dimenzijska svojstva, morfologija i značajke

površine tkanine te vrsta primijenjenih procesa na samoj tkanini.

Tkanine najjednostavnijih i pravilnih konstrukcija dobivaju se tkanjem prema pravilima

osnovnih vezova: platnenoga, kepernog i atlasnog. Platneni je vez najjednostavniji, ujedno i

najgušći - ima najveći broj veznih točaka). Tkanine od biljnih vlakana (pamuka, lana,

konoplje) koje su istkane u tom vezu nazivaju se platno. Vunene tkanine u platnenom vezu

nazivaju se sukno, dok se naziv taft koristi za svilene tkanine istkane u platnenom vezu. [15]

Tkanine u kepernom vezu prepoznatljive su po koso položenim rebrastim prugama koje

potječu od svojstvenoga načina povezivanja osnovinih i potkinih niti.

Kod atlasnoga veza osnovna nit povezuje svaku petu potku, čime je njezina čvrstoća

smanjena. Ako se za takvo tkanje upotrebljava svilena ili koja druga filamentna pređa, tim se

vezom dobivaju tkanine glatke i sjajne površine, poznate pod nazivom saten.

Varijacijom osnovnih vezova te njihovim različitim kombinacijama, mogu se proizvesti

tkanine različitih strukturnih svojstava a posebnim obradama i postupcima moguće je postići

posebna svojstva kod tkanine kao npr. otpornost na gužvanje, smanjenu sklonost prljanju,

hidrofobnost, vodonepropusnost, smanjenu gorivost.

Denim je naziv za tkanine od kojih se izrađuje jeans odjeća, kepernog veza u kojem potka

prolazi ispod dvije ili više niti osnove. Ovaj keperni vez stvara poznata dijagonalna rebra

denim tkanine, što je razlikuje od običnog pamuka (lanenog platna). Kod denima obojene su

samo niti osnove, dok su niti potke bijele, što za rezultat ima tkaninu plave boje s vanjske, a

bijele s unutarnje strane. Zato denim tkanina blijedi drugačije od drugih tkanina, a

tradicionalno se boji sintetičkom indigo plavom bojom i to u više navrata kako bi se postigla

jača boja denima. Postoji oprani te suhi odnosno sirovi traper koji se u odnosu na oprani

traper ne ispire nakon bojanja kako bi postigli mekoću i eliminirali skupljanje. Denim je

tkanina koja vremenom blijedi, posebno na dijelovima koji su najviše izloženi trošenju -

natkoljenični dio, gležnjevi te području ispod koljena. [16]

38

Slika 7.1 Nova i istrošena tkanina denima

Inače, suhi traper varira u težini, tako se neki denim smatra teškim ili debljim, a neki lakšim,

odnosno tanjim. Težina trapera mjeri se u uncama, referentna je težina 1 jarda u uncama,

dakle teži traper je puno krući i otporniji na habanje.

Tkanine i pletiva mogu biti izrađeni od različitih prirodnih i sintetičkih vlakana, tako je npr.

pamuk prirodno vlakno koje zbog svojih odličnih svojstava ima najširu primjenu u

proizvodnji odjeće. Pamuk ima svojstvo upijanja vlage i visoku toplinsku vodljivost, ne

izaziva alergije i lako se održava. Može se koristiti sam te u mješavini s drugim vlaknima,

npr. elastičnim. Od ostalih vlakana najpoznatija je vuna - prirodno vlakno koje se dobije

obradom ovčjeg runa, sa svojstvom upijanja vlage uz nisku toplinsku vodljivost.

Sintetička su vlakna dobivena kemijskim putem iz različitih polimera. Najviše se

upotrebljava poliestersko koje ima najširu primjenu (majice, jakne), zatim poliamidno koje se

koristi za izradu najlonskih čarapa i kupaćih kostima, te poliakrilno koji ima svojstva slična

vuni i elastansko vlakno koje se dodaje drugim vlaknima radi postizanja elastičnosti. [15,16]

7.1.1 Dielektrična konstanta

Dielektrična konstanta ovisna je o frekvenciji, temperaturi i hrapavosti površine, količini

vlage što utječe na promjenu u širini pojasa te čistoći i homogenosti materijala.

(18)

39

(19)

(20)

gdje je realni dio permitivnosti koji je ovisan o frekvenciji. [17]

Tekstilni su materijali anizotropni - imaju različita fizikalna svojstva duž različitih

molekularnih osi i ovise o orijentaciji električnog polja koje se opisuje tenzorom

permitivnosti. Relativna permitivnost osim smanjivanja elektrostatskih sila između dva

nabijena tijela opisuje ponašanje tekstilnih materijala testiranih na određenoj frekvenciji s

određenom orijentacijom električnog polja. Dielektrično ponašanje tkanine ovisi o svojstvima

vlakana i polimera te gustoći slaganja vlakana, no određivanje dielektrične konstante je

izrazito komplicirano zbog grubosti, poroznosti i heterogenosti tkanine te zraka između

vlakana. Jedna od metoda mjerenja dielektrične konstante je i metoda prijenosne linije.

Tekstili imaju nisku dielektričnu konstantu čime se smanjuju površinski valni gubici koji su

povezani s propagacijom vala unutar supstrata. Smanjivanjem dielektrične konstante

povećavaju se prostorni valovi te impedancija širine pojasa. [4,11]

7.1.2 Debljina supstrata

Debljina susptrata uzrokuje puno veće varijacije u rezultatima u odnosu na dielektričnu

konstantu obzirom da utječe na širinu pojasa, ulaznu impedanciju i rezonantnu frekvenciju, a

neophodan je parametar pri dizajnu i izradi antene. Odabir debljine supstrata i dielektrične

konstante kompromis je između učinkovitosti i širine pojasa.

(21)

(22)

40

gdje je - Q faktor nastao uslijed gubitaka radijacije (prostorni valovi), - Q faktor

nastao uslijed vodljivih (omskih) gubitaka, - Q faktor nastao uslijed dielektričnih gubitaka

te - Q faktor nastao zbog površinskih valova.

Za tanke supstrate za koje vrijedi dominantan faktor je upravo koji je obrnuto

proporcionalan debljini supstrata, tako svako povećanje debljine supstrata smanjuje

vrijednost Q faktora, što omogućuje veću širinu pojasa antene. Debljina supstrata također

utječe na veličinu antene, tako će supstrat veće debljine sa niskom dielektričnom konstantom

rezultirati većom antenom dok će supstrat manje debljine sa niskom dielektričnom

konstantom rezultirati manjom veličinom antene. [4]

7.1.3 Električna površinska otpornost vodljive tkanine

Električno ponašanje tkanine ovisi o površinskom otporu i okarakterizirano je površinskom

otpornošću. Otpor je definiran omjerom DC napona i struje između elektroda koje su u

kontaktu na testiranoj površini materijala, dok je otpornost omjer propada DC napona po

jedinici duljine i površinske struje po jedinici širine i definirana je kao:

(23)

gdje je površinski otpor a debljina sloja u cm. Površinska otpornost je poseban slučaj

otpornosti čija je mjerna jedinica prikazana u

, no kada se

podijeli sa debljinom sloja, jedinica otpornosti se krati

. Dobivena jedinica

poznata je pod nazivom „Ohms per square“ koja se označava

, po dimenzijama

jednaka ali je korištena isključivo za površinsku otpornost. [15,18,19]

41

Iz otpornosti tkanine moguće je dobiti parametar vodljivosti kao:

(24)

Za tkanine je poželjno da imaju nisku površinsku otpornost kako bi se minimizirali električni

gubici i povećala učinkovitost antene. Poželjno je da vrijednost otpornosti bude konstantna,

ali zbog diskontinuiteta kod električne struje to nije moguće postići. Paralelni diskontinuiteti

ne utječu na elektromagnetska polja, no ako diskontinuiteti utječu na tok električne struje,

porasti će otpor tkanine.

Vodljive tkanine su pokazale puno bolje karakteristike u odnosu na premazane tkanine zbog

diskontinuiteta koji povećavaju površinsku otpornost kod premazanih tkanina. Tkanine i

pletiva koja su pogodna za izradu tekstilnih antena su one sa površinskom otpornošću

manjom od 1

.

Pletiva prilikom povećane deformacije mogu biti jače anizotropni od tkanina, odnosno

pokazivati drugačiju električnu otpornost duž longitudinalnih i transverzalnih smjerova.

Struktura tkanine ima utjecaj na površinsku otpornost tkanine. Ako su vodljive niti uzduž

smjera toka struje, tkani uzorci imaju veću učinkovitost u smislu električne vodljivosti nego

pleteni uzorci, jer su vodljivi putevi u tkaninama bolje poravnati sa smjerom struje što

minimizira gubitke vodljivosti. Kod nekih je tkanina potrebno obratiti pozornost na vodljivu i

nevodljivu stranu tkanine. [4,15,18,19]

Vodljivu je površinu potrebno držati na suprotnoj strani od dielektričnog supstrata radi

smanjenja električnih gubitaka. Takav tip tkanine prikazan je slikom 7.2.

42

Slika 7.2 Primjer jednostrane aluminijske vodljive tkanine

(sjajna strana je vodljiva) [20]

7.1.4 Udio vlage

Jedna od karakteristika tkanine je uspostavljanje dinamičke ravnoteže s temperaturom i

vlažnosti zraka u okolini u kojoj se nalaze, no količina upijanja vlage ovisi o tipu i vrsti

materijala. Osjetljivost materijala na vlagu definirana je kao omjer mase uzorka natopljenog

vlagom i mase suhog uzorka u postocima. Za jednake RH faktore (eng. Relative Humidity)

kod različitih tkanina pokazat će se različiti udjeli vlage – npr. za vunu 14.5 %, pamuk 7.5%,

poliester 0.2%. Testovi koji se provode na tekstilu izvode se u tzv. standardnim uvjetima - za

RH 65% i pri 20°C.

Voda ima dielektričnu konstantu na 2.45 GHz pri 25°C, iako njezina vrijednost

ovisi o salinitetu, temperaturi i frekvenciji, voda ima veću i stabilniju dielektričnu konstantu

nego tekstil čija dielektrična konstanta varira između 1 i 2 zbog njihove velike poroznosti.

Kada tekstilna vlakna apsorbiraju vodu, mijenjaju se elektromagnetska svojstva tkanine,

povećavajući dielektričnu konstantu i gubitke. Veća permitivnost vode smanjuje rezonantnu

frekvenciju i povećava širinu pojasa.

43

Kad tekstil upije vlagu, vlakna nabubre transverzalno i aksijalno što uzrokuje dimenzijsku

stabilnost antene, te pridonosi promjeni dielektričnih svojstava, budući da nabubrena vlakna

smanjuju poroznost tkanine. Kod različitih tkanina vlakna različito bubre, tako npr. poprečni

presjek pamuka nabubri za 40% dok poliamida za samo 3.2%.

Apsorpcija vode je egzotermna reakcija, a oslobođena toplina je najveća za visoko

apsorbirajuća vlakna što direktno utječe na temperaturu i elektromagnetska svojstva

materijala. Performanse i ponašanje antene ovisi o vremenskim uvjetima, tako da će kiša,

snijeg ili led utjecati na ponašanje tekstilne antene.

Prilikom doticanja antene s kožom, hidrofobnost i upijanje vlage su izrazito važne

karakteristike budući da tkanina upija vlagu sa kože. Stabilnije su one antene koje su rađene

od tekstila koji ima mali faktor apsorpcije vlage. [15,19]

7.1.5 Mehaničke deformacije

Ljudsko tijelo nije ravno. Tekstilni materijali imaju fantastičnu fleksibilnost i elastičnost

stoga se odlično prilagođavaju obliku tijela. No, prilagodbom tekstila savijenim površinama

ono se savija i deformira, uzrokujući promjene u elektromagnetskim svojstvima što utječe na

ponašanje antene. Savijanje i elongacija (pomak od ravnotežnog položaja) dielektrične

tkanine utječe na njezinu permitivnost i debljinu koja utječe na rezonantnu frekvenciju i

širinu pojasa antene. Sama geometrija antene također utječe na elongaciju odnosno

kompresiju te se i tako utječe na rezonantnu frekvenciju.

Glavni problem kod tkanine je upravo njihova elastičnost što dodatno otežava preciznu

definiciju i rezanje iste kao i ljepljenje više slojeva bez savijanja, odnosno nabiranja tkanine.

Tkanine su stabilnije od pletiva, omogućavaju veću geometrijsku točnost okvira antene, koja

ovisi o debljini komponenti prediva ili vlakna. Pletiva su pogodna ako se koriste s tkaninama

visoke vlačne čvrstoće, dakle s krutim materijalima.

44

Vlačna čvrstoća je osnovno mehaničko svojstvo materijala, na osnovu kojeg se materijali

vrednuju prema mehaničkoj otpornosti na naprezanje. Vlačna je čvrstoća omjer maksimalne

postignute sile pri vlačnom ispitivanju na kidalici i izmjerene površine nekog lika, početnog

presjeka ispitnog uzorka ili epruvete i suprotna je vrijednost od tlačne čvrstoće. [21]

7.2 Izbor materijala

Postoje razne vrste tekstilnih materijala, vodljivih i nevodljivih. Kod vodljivih tkanina

razlikujemo samo „premazane“ tkanine (eng. coated fabrics) - posrebrene ili pobakrene

tkanine, te jednostrano vodljive i obostrano vodljive.

Slika 7.3 Posrebrena tkanina,

Izvorno objavljeno u [22]

45

Slika 7.4 Pobakrena tkanina,

Izvorno objavljeno u [23]

Najpoznatije vodljive tkanine su proizvodi Shieldit i Flectron te pobakrene, odnosno

posrebrene tkanine. Od dielektričnih materijala najčešći su jeans tkanina, pamuk te poliester.

Slika 7.5 Denim tkanine

46

Slika 7.6 Poliester tkanina

7.3 Problemi konstrukcije

Geometrijske dimenzije moraju ostati stabilne, odnosno nepromijenjene tijekom spajanja sa

dielektričnim supstratom obzirom da je mehanička stabilnost materijala nužna za održavanje

željenih karakteristika antene, gdje čak i najmanje promjene po dužini i širini utječu na

karakteristike antene i njezine performanse. Jedan od načina postizanja stabilnosti je

ljepljenje sa ljepljivom folijom iako ni to nije idealno rješenje obzirom da se radi o

tkaninama.

Tehnike spajanja različitih slojeva tkanine - dielektrika i vodljive tkanine, ne smiju utjecati na

svojstva patcha, GND-a i supstrata. Spajanje s obostrano ljepljivim folijama pokazalo je

dobre rezultate budući da ljepilo ostaje između materijala te se relativna permitivnost

supstrata i patcha nisu značajno promijenile. No, ovakva vrsta ljepila uvodi gubitke u

supstratu. Sam proces ljepljenja odvija se peglanjem, što ponekad dovodi do oksidacije

metalnih površina, a zbog vrele pare povećana je površinska otpornost i smanjena je

učinkovitost antene. Iz navedenih se razloga mora izrazito paziti s kojim se tkaninama radi,

47

koja su njihova svojstva i ono još važnije, koja je njihova debljina. Dodatni slojevi zraka

između slojeva utječu na dielektrična svojstva. [24]

Šivanje je alternativna tehnika koja izgleda jednostavno, ali ima dosta nedostataka. Šavovi

moraju biti u ravnini bez nabora, što je kod tkanina, odnosno deformabilnih materijala

izrazito teško postići. Šavovi prolaze kroz sve slojeve antene, dakle kroz različite materijale

pa je vrlo lako izazvati kratke spojeve između slojeva.

Karakteristike pravilno izrađenih šavova su jačina, elastičnost, trajnost, sigurnost i izgled i

mogu se povećati usklađivanjem sa svojstvima materijala koji se šivanjem spaja u cilju

dobivanja savršenog šava. Također je potrebno pronaći optimalne parametre procesa šivanja.

Šav mora odgovarati karakteristikama izabranog osnovnog materijala i konca za šivanje.

Čvrstoća šavova na tkaninama ovisi o vrsti tkanine, vrsti i finoći šivaćeg konca, finoći šivaće

igle, tipa šivaćeg uboda, gustoća uboda, te vrsti i tipu šava. [24]

Preostala je tehnika spajanja tekućim ljepilom, iako ga je vrlo teško ravnomjerno aplicirati, ili

ljepilom u sticku, čije je nanošenje lakše u odnosu na nanošenje tekućeg ljepila. Posebna je

pozornost potrebna prilikom nanošenja ljepila na vodljivu tkaninu budući da nakupljeno

ljepilo može predstavljati izolator između vodljive pređe.

Postoje vodljive tkanine kod kojih je potrebno obratiti pozornost na prednju i stražnju stranu

zbog glatkoće i gustoće vodljivih vlakana. Testovi kod jednostrano vodljive tkanine pokazali

su kako je važno obratiti pozornost na stranu tkanine i njezin položaj prilikom spajanja

tkanina. Kada je vodljiva površina okrenuta ka supstratu veći dio elektromagnetskog polja

sadržan je upravo u supstratu, čime su dielektrični gubici u nevodljivoj pređi minimizirani.

[24]

48

7.4 Smjernice za odabir i izradu antene

Kod tekstilnih antena većinom se rade planarne strukture zbog svojih dobrih karakteristika.

Potrebno je pažljivo odabrati materijale, iako svi tekstili imaju dielektričnu konstantu od 1-2

čime se reduciraju valni površinski gubici, ali i povećavaju prostorni valovi.

Potrebno je obratiti pozornost na upijanje vlage kod izabranog materijala zbog promjene u

elektromagnetskim svojstvima, povećanju dielektrične konstante i tangensa gubitaka.

Stabilniji su oni materijali koji imaju malu apsorpciju vlage - manju od 3%.

Debljina antene je kompromis između učinkovitosti i širine pojasa i utječe na geometrijsku

veličinu antene.

Vodljive tkanine moraju imati što manju površinsku otpornost kako bi se minimizirali

površinski gubici i povećala učinkovitost antene. Premazane tkanine mogu imati puno lošija

svojstva od vodljivih tkanina zbog diskontinuiteta koji mogu povećati površinsku otpornost.

Tkanine su stabilnije od pletiva i pružaju veću geometrijsku točnost okvira antene. Točnost

veličine tkanih materijala ovisi o debljini komponenti pređe. Korištenje najmanje jednog

tekstilnog materijala visoke čvrstoće i krutosti stabilizira okvir antene.

Prilikom spajanja slojeva potrebno je voditi računa o strani materijala u vidu hrapavosti i

gustoće vodljivih elemenata kako bi se minimizirali gubici.

49

8 Izrada

Sam postupak izrade, naizgled jednostavan, bio je izrazito kompliciran i zahtjevan upravo

zbog činjenice što se sve radi sa tkaninom koja je porozna i elastična i naprosto bježi pod

pritiskom skalpela ili škara. Poglavlje je podijeljeno u dva dijela. U prvom su opisani

korišteni materijali s popratnim karakteristikama, dok je u drugom dijelu opisan sam

postupak izrade, od pripreme radne površine, crtanja oblika na tkanini, rezanja skalpelom i

škarama do ljepljenja i bušenja rupe iglom na tkanini za konektor.

8.1 Korišteni materijali

8.1.1 Obostrano ljepljiva folija

Izabrana folija dimenzija je 24x14 cm, i obostrano je obložena optički čistim prozirnim

ljepilom debljine . Prilikom nanošenja potrebno je najprije skinuti jedan sloj zaštitne

folije i zalijepiti za tkaninu, nakon toga skinuti drugi sloj zaštitne folije i na to zalijepiti drugi

sloj tkanine, zaštititi krpom ili plahtom i pritisnuti toplom peglom kako bi se ljepilo omekšalo

i tkanine sljepile.

Slika 8.1 Obostrano ljepljiva folija, Izvorno objavljeno u [25]

50

8.1.2 Ljepilo

Ljepilo marke Clover koje se koristi za lijepljenje tkanine, papira, filca i sl. Koristi se za

spajanje tkanina umjesto klasičnog šivanja. Clover ljepilo korišteno je za ljepljenje GND-a i

patcha na jeans tkaninu.

Slika 8.2 Clover ljepilo,

Izvorno objavljeno u [26]

Ljepilo za razne vrste tkanina marke Gutermann spaja brzo i trajno, sljepljene tkanine ostaju

elastične nakon ljepljenja a tkanine je moguće prati na temperaturi do 40˚C. Gutermann

ljepilo za tkanine korišteno je za ljepljenje jeans tkanine. Nanošeno je na jedan sloj tkanine,

zatim razmazano sa plastičnom lopaticom i nakon toga je postavljen novi sloj jeans tkanine.

Slika 8.3 Gutermann ljepilo za tkanine,

Izvorno objavljeno u [27]

51

8.1.3 Tkanine

Dvije su vrste tkanina, različitih svojstava i debljine, korištena kao vodljive tkanine za GND i

patch antene.

GND

Vodljiva tkanina 12''x13'' MedTex180 visoko je vodljivi tkani e-tekstil, najlon presvučen

srebrom koji ima površinsku otpornost manju od 1 Ohm/sq. Tkanina ima debljinu od 0.35

mm i podnosi temperature od -30˚C do 90˚C, a rastezljiva je u oba smjera: uzdužno i

poprečno.

Slika 8.4 Vodljiva Medtex tkanina korištena za GND,

Izvorno objavljeno u [28,29]

52

Patch

Vodljiva tkanina 12''x13'' Ripstop visoko je vodljivi tkani e-tekstil sastavljen od 3 sloja:

najlon, nikal i srebro sa površinskom otpornošću manjom od 0.02 Ohm/Sq. Tkanina ima

debljinu od 0.1 mm i podnosi temperature od - 30˚C do 90˚C.

Slika 8.5 Vodljiva Ripstop tkanina korištena za patch,

Izvorno objavljeno u [30,31]

53

Supstrat

Za supstrat je izabrana jeans tkanina zbog svoje dostupnosti, čvrstoće i svojstava. Jeans

tkanina na 2.45GHz ima vrijednost dielektrične konstante .

Jeans tkanina je u svojoj strukturi pamuk koji je izrazito izdržljiva tkanina, mekana i

savitljiva. Ima vrlo visoku stopu upijanja i postaje teži kada je mokar. Njegova jačina i moć

upijanja čine ga idealnom tkaninom za medicinsku upotrebu.

Slika 8.6 Korištena jeans tkanina

54

8.2 Postupak

Izrada je kao i svaka započela pripremom radne površine i svih potrebnih komponenata za

izradu: daska za rad na ravnoj površini, tkanine, kemijske olovke za iscrtavanje, trokuti i

ravnala, skalpel i škare, ljepila, stege, šivaća igla, selotejp za učvršćivanje tkanine.

Slika 8.7 Početak izrade - priprema

Prvi korak bio je iscrtavanje dimenzija supstrata na jeans tkaninu s običnom kemijskom

olovkom. Potrebno je bilo iscrtati 22 pravokutnika dimenzija 50x57mm za debljinu od

3.90mm (5 slojeva tkanine) i 4.68mm (6 slojeva tkanine) te 10 pravokutnika dimenzija

70x80mm za debljinu od 3.90mm (5 slojeva tkanine) i to za dvije vrste rezanja tkanine -

skalpelom i cik-cak škarama za tkaninu.

55

Slika 8.8 Iscrtavanje oblika antene

Slika 8.9 Iscrtavanje s unutarnje strane jeans tkanine

56

Nakon iscrtavanja došlo je vrijeme za rezanje tkanine. Budući da je tkanina elastična i da se

stalno izmiče, bilo ju je potrebno pridržavati trokutom ili ravnalom.

Tkanina je rezana na dva načina: kirurškim skalpelom i cik-cak škarama za tkaninu. Skalpel

je izrazito oštar i precizan pa je i rezanje bilo olakšano. Samim time smanjilo se i cufanje

tkanine iako je i dalje bilo prisutno, pogotovo na dijelovima rezanim pod 90° u odnosu na

položaj vlakana.

Slika 8.10 Dva načina rezanja: cik-cak škare i

skalpel te izrezani uzorci tkanina

Slika 8.11 Cufanje tkanine

57

Slika 8.12 Rezanje tkanine skalpelom

58

Cik-cak škare za tkaninu su izrazito teške i zahtijevaju veliku preciznost. Iako je okvir antene

bio iscrtan, škare su koncipirane tako da rezanjem daju poseban cik-cak oblik tkanini ali je i

smanjuju, pa jedino vrhovi izrezane tkanine odgovaraju originalnoj dimenziji okvira antene.

Cufanje tkanine se ni ovim postupkom rezanja tkanine nije uspjelo izbjeći.

Slika 8.13 Rezanje tkanine cik-cak škarama

59

Slika 8.14 Izrezani okviri antene - supstrat

Na slici 8.14 na gornjoj polovici izrezani su i posloženi okviri dimenzija 70x80 i to skalpelom

(lijevi kut) i cik-cak škarama (desni kut). U donjem dijelu izrezani su i posloženi okviri

dimenzija 50x57 i to skalpelom (lijevi kut) i cik-cak škarama (desni kut).

Sljedeći korak bilo je ljepljenje slojeva supstrata. Rađene su antene dvije debljine supstrata

3.90mm (5 slojeva tkanine) i 4.68mm (6 slojeva tkanine). Tkanina supstrata ljepila se

prethodno spomenutim ljepilom za tkanine marke Gutermann creativ. Ovo ljepilo pogodno je

za jeans tkaninu koja je manje porozna u odnosu na vodljive tkanine jer je deblja i drugačije

tkana pa podnosi ovakav tip ljepila. Ljepilo je naneseno na tkaninu, razmazano plastičnom

lopaticom i na to je stavljen novi sloj jeans tkanine. Sam postupak je trebao biti što prije

napravljen budući da se ljepilo dosta brzo suši, a cilj je razmazati ljepilo u podjednakom sloju

kako nebi došlo do nesrazmjera u debljini antene i promjene dielektričnih svojstava supstrata.

60

Slika 8.15 Nanošenje ljepila na jeans tkaninu

Slika 8.16 Razmazivanje ljepila lopaticom

61

Slika 8.17 Postavljanje novog sloja jeans tkanine

Slika 8.18 Zaljepljeni supstrat

62

Nakon supstrata, trebalo je iscrtati i izrezati tkaninu za GND. Postupak crtanja i rezanja

jednak je kao i za supstrat. Tkanina je kao što je vidljivo na donjoj slici na rubovima

zahvaćena selotejpom kako bi se što manje izmicala pod pritiskom, ali čak ni to nije bilo od

pomoći. Tkanina je izrazito elastična i kako se prolazi po njoj kemijskom olovkom tako se

ona izmiče i izdužuje pa je iscrtavanje okvira GND-a bilo izrazito komplicirano, iako tako ne

djeluje.

Slika 8.19 Priprema vodljive tkanine GNDa

za iscrtavanje okvira

Nakon iscrtavanja, sljedeći korak bio je rezanje tkanine. Postupak je bio jednak kao i kod

supstrata - pridržavanje tkanine sa ravnalom na par milimetara od okvira cijelom svojom

svojom površinom kako bi se stvorio pritisak na tkaninu da se učvrsti i da se ne pomiče, ali ni

to, nažalost, nije puno pomoglo. Rezanje skalpelom se ispostavilo puno zahvalnije obzirom

da je tkanina bila položena na tvrdu i ravnu površinu sa jedne strane a sa druge je bila pod

63

pritiskom. Rezanje cik-cak škarama se pokazalo dosta lošom opcijom jer je tkanina izrazito

elastična i izmicala je pod škarama. No, unatoč svim problemima, rezanje je izvršeno.

Slika 8.20 Priprema za rezanje tkanine za GND

64

Slika 8.21 Priprema vodljive tkanine patcha

za iscrtavanje okvira

Tkanina za patch je drugačija u odnosu na tkaninu za GND, puno je tanja, kruća i manjeg

elasticiteta, što je olakšalo iscrtavanje i rezanje tkanine, ali nije smanjilo cufanje. Na gornjoj

je slici prikazana tkanina za patch pripremljena za iscrtavanje i rezanje. Ova se tkanina rezala

na samo jedan način - skalpelom i to zato što se točka porta određuje u x i y smjeru od donjeg

lijevog ruba, stoga patch mora biti pravilnog oblika.

65

Slika 8.22 Izrezane vodljive tkanine

pripremljene za ljepljenje

Vodljive tkanine ljepljene su ljepilom za tkaninu u sticku marke Clover budući da su obje

tkanine višestruko tanje od jeans tkanine; tako je debljina tkanina GND-a 0.35mm, patcha

0.1mm a jeans tkanine 0.78mm. Osim debljine, tkanine su vodljive pa tekuće ljepilo može

nepovoljno utjecati na njihovo ponašanje, odnosno vodljivost pa više nisu svrsihodne. Proces

ljepljenja trajao je vrlo kratko budući da se ljepilo brzo suši. Ljepljenje tkanine GND-a za

supstrat slično je bilo ljepljenju slojeva supstrata dok je za ljepljenje tkanine patcha za

supstrat bilo potrebno ravnalo kako bi se pronašla dijagonala i kako bi se po njoj namjestili

vrhovi patcha kako je prikazano na slici 8.24.

66

Slika 8.23 Nanošenje ljepila na patch

Slika 8.24 Ljepljenje patcha za supstrat

Ljepljenje patcha pokazalo se dosta nezahvalnim, budući da je tkanina izrazito tanka i

porozna. Veća količina ljepila uništila bi njezina svojstva, a ova količina ljepila nedovoljna je

da se ovakva dva tipa tkanine zalijepe i ostanu zaljepljeni.

67

Slika 8.25 Prednja i stražnja strana tekstilne antene

Bušenje antene za konektor sastojalo se od dva koraka. Prvi korak bio je traženje točke porta

na anteni ( ), namještanje i zabijanje igle laganim udarcima

čekićem kako nebi došlo do oštećenja antene ili lomljenja igle. Za pronalazak točke porta

korišten je obični papirić dimenzija 7.7mm x 5.5mm. Prvi je korak prikazan na slici 8.26.

Drugi korak bio je probijanje antene iglom i širenje rupe, obzirom da je debljina srednjeg

vodiča konektora iznosila 1.25mm a debljina igle bila je 1.20mm. Probijanje antene

prikazano je slikom 8.27, dok je antena sa konektorom prikazana slikom 8.28.

68

Slika 8.26 Bušenje antene iglom

Slika 8.27 Probijanje antene iglom

69

Slika 8.28 GND i konektor

Nakon postavljanja konektora spojevi su premazani vodljivim srebrom koji se koristi kao

hladan lem kupljen u Chipoteci [32]. Vodljivo tekuće srebro koristi se za popravak vodova na

više vrsta materijala od plastike, papira, drva, tekstila do keramike i metala. Može se nanositi

kistom, sprejem, kapaljkom. Ja sam koristila kist i medicinsku špricu. Vodljivo srebro je

podosta hlapljivo i izrazito se brzo suši pa se sam proces nanošenja srebra odvija vrlo brzo.

Slika 8.29 Vodljiva boja - tekuće srebro,

Izvorno objavljeno u [32]

70

Prilikom prvog testiranja antene, zbog nedostatka kontakta između konektora i vodljive

tkanine i zbog nemogućnosti nabavljanja vodljivog ljepila, umjesto vodljive tkanine za GND

iskorišten je bakreni lim. Bakreni lim se iscrtao i rezao škarama za lim na dva načina

(obzirom na dimenzije): dimenzija jednakih supstratu i dimenzija širih od supstrata da se uoči

utjecaj dimenzija GND-a na dobivene rezultate. Na lim je također ucrtana pozicija porta koja

je izbušena malom ručnom bušilicom svrdlom debljine 1.5mm. Veličina rupice veća je od

debljine porta kako nebi došlo do kratkog spoja budući da je na konektoru zaštita ogoljena.

Konektor je zalemljen za pločicu čime se ostvario kontakt i dobiveni su rezultati testiranja.

Na patchu, na mjestu gdje konektor probija antenu, izrezani su mali pravokutnici i postavljeni

na patch te je vrh konektora prekriven lemom kako bi se poboljšao kontakt.

Slika 8.30 Izgled antene sa pokrovom

71

9 Mjerenje

Mjerenje se vršilo na prijenosnom vektorskom mrežnom analizatoru tvrtke Agilent

Technologies.

Slika 9.1 VNA uređaj

Nakon unošenja postavki i kalibriranja uređaja za postavke frekvencijskog opsega od 2MHz

do 5GHz za 1001 točku, antene su spojene na uređaj i rezultati su prikazani na displayu.

Svi su se podaci spremali na usb uređaj kao .csv datoteka i unosili se u Excel kako bi se

dobili grafovi usporedbe simulacijskih, gotovo idealnih vrijednosti i izrađenih modela.

Također, uspoređivale su se vrijednosti dobivenih kod antena koje su držane i one su

mirovale kako bi se vidio utjecaj zraka i kvalitete spoja kod izrađenih antena.

Rezultati mjerenja posloženi su kao i rezultati simulacija u poglavlju 6.

72

9.1 Prva vrsta antena

Prve testirane antene bile su antene dimenzija , debljine supstrata koje su

radi lakšeg raspoznavanja označene kao i gdje broj 4 označava početni broj

debljine supstrata ( ), slovo s označava način rezanja supstrata skalpelom dok z

označava način rezanja zig-zag škarama, a broj 50 dimenziju supstrata ( ).

Slika 9.2 Mjerenje antene

Budući da su u simulaciji rubovi antene pravilni, najprije su se uspoređivale vrijednosti

dobivene simulacijom i izrađenim modelom gdje je supstrat rezan skalpelom. Rezultati su

pokazali kako izrađeni model ima poveća odstupanja u odnosu na simulirani model što

ukazuje na podosta lošu izradu s puno zraka između slojeva unatoč procesu prešanja modela.

Krivulja simulacije ima konstantnu vrijednost do 2GHz nakon čega pada do -20dB na

2.4GHz, dok krivulja izrađenog modela pada od 0GHz, prvi veći pad ispod -10dB zabilježen

je na 2.2GHz a zatim na 2.6GHz od -17dB.

73

Slika 9.3 Usporedba rezultata prilikom držanja 4s50

modela (oznaka _H)

Kod antene koja se prstima držala za sredinu dobiveni su puno bolji rezultati, budući da se

djelomično uspio istisnuti zrak iz modela. Dobiveni su rezultati bliži simulacijskim

vrijednostima kako je prikazano slikom 9.3, iz koje je vidljivo kako se simulacijska krivulja i

krivulja držanog 4s50 modela prate iako je širina pojasa kod mjereneog modela puno veća u

odnosu na simulacijski model, što je i očekivano s obzirom na već izneseni problem izrade.

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 1 2 3 4 5

S11

, dB

frekvencija, GHz

Simulacija

Mjerenje

Mjerenje_H

74

Sljedeći korak bilo je mjerenje iste vrste antene, 4s50, ali drugačijeg načina rezanja - zig-zag

škarama.

Slika 9.4 Usporedba rezultata različito rezanih

4s50 i 4z50 antena

Na slici 9.4 prikazani su rezultati testiranja različito rezanih antena koje nisu držane u

usporedbi sa rezultatima simulacije. Može se uočiti kako se rezultati mjerenih modela antena

(Mjerenje_Z i Mjerenje_S) međusobno prate iako je odstupanje u odnosu na držane modele

antene puno veće. Odstupanja su, kako je već spomenuto, posljedica neidealnosti izrade

samih antena i neidealnosti uvjeta u kojima se antena nalazi u odnosu na simulacijsko

okruženje. I u ovim se mjerenjima pokazalo kako se širina pojasa mjerenih antena (bez obzira

na način rezanja) povećala u odnosu na simulacijsku krivulju. Odstupanja se kod mjerenih

krivulja pojavljuju na 2.5GHz, tako je rezonantna frekvencija 4z50 (na grafu: Mjerenje_Z) na

2.6GHz dok je rezonantna frekvencija 4s50 (na grafu: Mjerenje_S) pomaknuta na 2.7GHz.

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 1 2 3 4 5

S11

, dB

frekvencija, GHz

Simulacija

Mjerenje_Z

Mjerenje_S

75

Slika 9.5 Usporedba rezultata različito rezanih

4s50 i 4z50 antena prilikom držanja

Iz slike 9.5 vidljivo je kako su rezultati mjerenja stisnutih antena bolji u odnosu na one koje

nisu stisnute. Također, vidljivo je kako se rezultati mjerenja antena (Mjerenje_Z_H i

Mjerenje_S_H) međusobno prate ali i dalje pokazuju odstupanja u odnosu na simulacijsku

krivulju što je i očekivano. Zanimljivo je da se frekvencijski pojasi kod mjerenih antena

rezanih zig - zag škarama i skalpelom gotovo pa preklapaju i širi su u odnosu na simulacijsku

krivulju što je posljedica nedovoljno kvalitetne izrade, odnosno zraka između slojeva.

U ovom se mjerenju pokazalo da način rezanja tkanine (skalpelom koji radi precizne ravne

rezove i zig-zag škarama) ne utječe na dobivene rezultate. Promjene se vide tek u pojasu

nakon 3.5GHz, ali to je izvan našeg promatranog frekvencijskog E pojasa.

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 1 2 3 4 5

S11

, dB

frekvencija, GHz

Simulacija

Mjerenje_Z_H

Mjerenje_S_H

76

9.2 Druga vrsta antena

Sljedeća je na redu za mjerenje bila druga vrsta antena dimenzija , debljine

supstrata koje su radi lakšeg raspoznavanja označene kao i gdje broj 3

označava početni broj debljine supstrata ( ), slovo s označava način rezanja supstrata

skalpelom dok z označava način rezanja zig-zag škarama, a broj 50 dimenziju supstrata

( ).

Budući da su u simulaciji rubovi antene pravilni, najprije su se uspoređivale vrijednosti

dobivene simulacijom i izrađenim modelom gdje je supstrat rezan skalpelom. Rezultati su

opet pokazali kako izrađeni model ima poveća odstupanja (širina pojasa, rezonantna

frekvencija, oblik krivulje) u odnosu na simulirani model što ukazuje na podosta lošu izradu

sa puno zraka između slojeva unatoč procesu prešanja.

Krivulja simulacije ima konstantnu vrijednost do 2GHz nakon čega pada preko -25dB na

2.45GHz dok krivulja izrađenog modela ima lagani pad odmah od 0, sa prvim većim padom

ispod -10dB zabilježenim na 2.2GHz a zatim na 2.6GHz od ispod -15dB.

Ovi rezultati slični su rezultatima prve grupe testiranih modela antena, serije 4s50. Razlika je

vidljiva u E pojasu na frekvenciji od 2.6GHz gdje 4s50 model ima špičastiji vrh i neznatno

bolje vrijednosti parametara. Sljedeća razlika, koja je izvan našeg promatranog pojasa, je

na 3.5GHz gdje je vrh 4s50 krivulje izrazito špičast dok je kod 3s50 modela na toj frekvenciji

izrazito veliki šum.

77

Slika 9.6 Usporedba rezultata prilikom držanja 3s50

antene (oznaka _H)

Kod antene koja se prstima držala za sredinu (oznaka _H) dobiveni su puno bolji rezultati

koji su bliži simulacijskim vrijednostima.

Sljedeći korak bio je testiranje iste vrste antene ali drugačijeg načina rezanja - zig-zag

škarama.

Na slici 9.7 prikazani su rezultati testiranja različito rezanih modela antena 3s50 i 3z50 koje

nisu držane u usporedbi s rezultatima simulacije. Može se uočiti kako se rezultati testiranih

antena (Mjerenje_Z i Mjerenje_S) međusobno prate (nema značajno velikih odstupanja

obzirom na način rezanja tkanine) iako je odstupanje u odnosu na držane modele antena,

kako je prikazano slikom 9.8, puno veće kako oblikom krivulje, tako i vrijednostima

rezonantne frekvencije i vrijednosti parametara. Odstupanja su posljedica neidealnosti

izrade samih antena i neidealnosti uvjeta u kojima se antena nalazi u odnosu na simulacijsko

okruženje. Važno je napomenuti kako u odnosu na ista provedena mjerenja sa serijom 4s50 i

4z50 nije došlo do značajne promjene rezultata što upućuje na zaključak kako debljina

supstrata ne utječe u značajnoj mjeri na rezultate mjerenja.

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 1 2 3 4 5

S11

, dB

frekvencija, GHz

Simulacija

Mjerenje

Mjerenje_H

78

Također, vidljivo je kako modeli koji su rezani zig-zag škarama daju nešto bolje rezultate

(rezonantna frekvencija i vrijednosti parametara) u odnosu na modele koji su rezani

skalpelom.

Slika 9.7 Usporedba rezultata različito rezanih

3s50 i 3z50 antena

Iz slike 9.8 vidljivo je kako se rezultati testiranja antena (Mjerenje_Z_H i Mjerenje_S_H)

međusobno prate, ali i dalje odstupaju u odnosu na simulacijsku krivulju, osim po obliku

krivulje, po vrijednostima rezonantne frekvencije i vrijednosti parametara. Iz ovog se

grafa također vidi kako mjerenja modela rezanim zig-zag škarama daju nešto bolje rezultate.

Također, uspoređujući istu seriju mjerenja modela 3s50 i 3z50 te 4s50 i 4z50 vidljiva je

izrazita sličnost u krivuljama. Promjena je uočena u E pojasu na 2.45GHz gdje 4z i 4s

krivulje odstupaju jedna od druge tj. imaju različite rezonantne frekvencije. Druga promjena

nalazi se izvan našeg frekvencijskog pojasa gdje je kod serije 3s i 3z primjećen veći šum u

odnosu na seriju 4s i 4z. Značajnih odstupanja u širini frekvencijskog pojasa nema.

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 1 2 3 4 5

S11

, dB

frekvencija, GHz

Simulacija

Mjerenje_Z

Mjerenje_S

79

Slika 9.8 Usporedba rezultata različito rezanih 3s50 i 3z50

držanih antena

Usporedbe radi, napravljena su mjerenja za 3s50 i 3z50 modele antena bez pokrova. Slikom

9.9 prikazani su rezultati mjerenja 3s50 modela antena bez pokrova u dva slučaja: prilikom

držanja antene i prilikom mirovanja antene, iz koje je vidljivo kako su rezultati držane antene

puno bolji u odnosu na stanje mirovanja antene. Rezonantna frekvencija kod pridržavanog

modela bliža je donjoj granici E pojasa, dok je rezonantna frekvencija modela u mirovanju

bliža gornjoj granici E pojasa. Uspoređujući modele 3s50 i 3z50 bez pokrova sa istim

modelima sa pokrovom (slike 9.7 i 9.8) vidi se kako je rezonantna frekvencija u E pojasu

gotovo jednakih vrijednosti u oba slučaja. Oblici krivulja su dosta slični, čak su i vrijednosti

parametara na području E pojasa približno jednake. Razlika je očita u području izvan E

pojasa, u području između 3 i 4 GHz gdje je krivulja u modelima bez pokrova pravilnijeg

oblika sa smanjenim šumovima. Zanimljivo je primjetiti kako se krivulje različito rezanih

materijala u potpunosti prate do 2.2GHZ, gdje krivulja modela rezanog zig-zag škarama

dostiže bolje rezultate parametara u odnosu na model rezan skalpelom.

Kod modela koji su držani, rezonantna frekvencija se neznatno smanjila ali su se zato

vrijednosti parametara poboljšale sa -14dB na -23dB. Veće odstupanje između različito

rezanih krivulja primjeti se tek u pojasu od 3GHz do 4GHz, što je izvan našeg područja

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 1 2 3 4 5

S11

, dB

frekvencija, GHz

Simulacija

Mjerenje_Z_H

Mjerenje_S_H

80

promatranja. Širina se pojasa u odnosu na ne držanu antenu smanjila. U odnosu na sliku 9.8,

modele sa pokrovom, krivulje bez pokrova imaju veći šum kod rezonantne frekvencije, ali

vidljivo je da su i vrijednosti parametara približno jednake.

Slika 9.9 Rezultati mjerenja 3s50 modela

antene bez pokrova

Slikom 9.10 prikazani su rezultati mjerenja modela antene rezane zig-zag škarama, na dva

načina: u stanju mirovanja i prilikom držanja, iz kojih se vidi da, kao i u slučaju modela sa

pokrovom, pridržavana antena ima bolje vrijednosti rezonantne frekvencije i parametara.

Također, ima bolji oblik krivulje u odnosu na model u mirovanju, iako su i tu prisutni

šumovi, što je za očekivati obzirom na već spomenute nesavršenosti izrade.

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 1 2 3 4 5

S11

, dB

frekvencija, GHz

Mjerenje_S

Mjerenje_S_H

81

Slika 9.10 Rezultati mjerenja 3z50 modela

antena bez pokrova

9.3 Treća vrsta antena

Zadnja vrsta antena za testiranje bile su antene dimenzija , debljine supstrata

koje su radi lakšeg raspoznavanja označene kao i gdje broj 3 označava

početni broj debljine supstrata ( ), slovo s označava način rezanja supstrata skalpelom

dok z označava način rezanja zig-zag škarama, a broj 70 dimenziju supstrata ( ).

Budući da su u simulaciji rubovi antene pravilni, najprije su se uspoređivale vrijednosti

dobivene simulacijom i izrađenim modelom gdje je supstrat rezan skalpelom. Rezultati su

opet pokazali kako izrađeni model ima velika odstupanja u odnosu na simulirani model.

Krivulja simulacije ima konstantnu vrijednost do 2GHz nakon čega pada preko -25dB na

2.45GHz dok krivulja izrađenog modela ima lagani pad od 1GHz, sa prvim većim padom

ispod -10dB do skoro -15dB zabilježenim na 2.2GHz a zatim na 2.7GHz do -20dB.

Uspoređujući 3s70 seriju sa 3s50 serijom vidljivo je kako su malo bolji rezultati

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 1 2 3 4 5

S11

, dB

frekvencija, GHz

Mjerenje_Z

Mjerenje_Z_H

82

parametara dobiveni kod 3s70 serije što pokazuje da se povećanjem dimenzija GND-a i

supstrata rezultati značajno ne mijenjaju.

Slika 9.11 Usporedba rezultata prilikom držanja

3s70 modela (oznaka _H)

Na slici 9.11 uspoređeni su rezultati antene koja se držala i one koja je bila u stanju

mirovanja. Vidljivo je kako je oblik krivulje (Mjerenje_H) bliži simulacijskoj. Također,

vidljiv je pomak na rezonantnoj frekvenciji koja se smanjila na približnu vrijednost od 2GHz

dok je kod simulacijske vrijednosti gotovo 2.5GHz.

Sljedeći korak bio je testiranje iste vrste antene ali drugačijeg načina rezanja - zig-zag

škarama.

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 1 2 3 4 5

S11

, dB

frekvencija, GHz

Simulacija Mjerenje Mjerenje_H

83

Slika 9.12 Usporedba rezultata različito rezanih

3s70 i 3z70 antena

Na slici 9.12 prikazani su rezultati testiranja različito rezanih antena koje nisu držane u

usporedbi sa rezultatima simulacije. Može se uočiti kako se kod ovih testiranja rezultati

testiranih antena (Mjerenje_Z i Mjerenje_S) međusobno ne prate (postoje odstupanja

odstupanja obzirom na način rezanja tkanine). Također, odstupanje u odnosu na držane

antene puno je veće kako oblikom krivulje tako i vrijednostima rezonantne frekvencije i

vrijednosti parametara. U usporedbi sa prijašnjim testiranjima, ova vrsta antena ima

najlošije rezultate u odnosu na simulacijsku krivulju, ali i u odnosu testiranih različito rezanih

antena koje su se dosad uvijek međusobno pratile.

Odstupanja su posljedica neidealnosti izrade samih antena i neidealnosti uvjeta u kojima se

antena nalazi u odnosu na simulacijsko okruženje.

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 1 2 3 4 5

S11

, dB

frekvencija, GHz

Simulacija

Mjerenje_Z

Mjerenje_S

84

Iz slike 9.13 vidljivo je kako se rezultati testiranja antena (Mjerenje_Z_H i Mjerenje_S_H)

međusobno prate ali i dalje odstupaju u odnosu na simulacijsku krivulju, osim po obliku

krivulje, po vrijednostima parametara i vrijednostima rezonantne frekvencije, koja je kod

simulacijske krivulje na 2.5GHz dok je kod testiranih krivulja blizu 2GHz.

Slika 9.13 Usporedba rezultata različito rezanih

3s70 i 3z70 držanih antena

Za zadnje mjerenje uzeta je antena oznake 3s70 koja je dobro natopljena vodom i lagano

savijena kako bi se vidjeli rezultati kvašenja i savijanja antene i usporedili sa rezultatima suhe

i nesavijene antene. Postupak kvašenja antene prikazan je slikom 9.14.

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 1 2 3 4 5

S11

, dB

frekvencija, GHz

Simulacija

Mjerenje_Z_H

Mjerenje_S_H

85

Slika 9.14 Kvašenje antene

Rezultati dobiveni mjerenjem kvašene i savinute antene upućuju na pomak rezonantne

frekvencije u frekvencijski pojas od 1 do 2 GHz. Vrijednosti parametara su smanjene u

odnosu na simulacijske vrijednosti ali su i dalje ispod -15dB što je izrazito povoljan rezultat.

Ukoliko se promatra širina pojasa na -6dB i -10dB vidljivo je kako je kod simulacijske

krivulje pojas puno uži nego kod kvašene i savijene antene.

Voda ima veću i stabilniju dielektričnu konstantu nego tekstil čija dielektrična konstanta

varira između 1 i 2, pa prilikom apsorbiranja vode, kod tekstilnih se vlakana mijenjaju

elektromagnetska svojstva, povećava se dielektrična konstanta i gubici. Većom se

permitivnosti vode smanjuje rezonantna frekvencija i povećava širina pojasa. Kad tekstil

upije vlagu, vlakna nabubre transverzalno i aksijalno što uzrokuje dimenzijsku stabilnost

antene, što pridonosi promjeni dielektričnih svojstava, obzirom da nabubrena vlakna

smanjuju poroznost tkanine. Svaka mehanička deformacija utječe na rezonantnu frekvenciju

koja se kao što se vidi iz priloženih rezultata smanjuje.

86

Slika 9.15 Usporedba simulacijskih i mjerenih vrijednosti

3s70 kvašenog modela

Prilikom uspoređivanja rezultata mjerenja kvašene antene te suhe i nesavijene antene koja

nije bila držana, vidljiva je velika sličnost u obliku krivulje, pa čak i u širini frekvencijskog

pojasa promatranog na -10dB iako je kod kvašene antene pojas malo širi. Suhe antene prate E

pojas, dok je kvašena antena u pojasu od 1GHz do 2GHz. U odnosu na suhu ali držanu

antenu i karakteristika i rezonantna frekvencija su izrazito lošije, što je i za očekivati obzirom

na kvašenje i deformaciju.

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 1 2 3 4 5

S11

, dB

frekvencija, GHz

Simulacija

Mjerenje_W

87

Slika 9.16 Usporedba različitih načina

mjerenja 3s70 antene

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 1 2 3 4 5

S11

, dB

frekvencija, GHz

Mjerenje

Mjerenje_H

Mjerenje_W

88

10 Zaključak

Tema rada bila je dizajn i analiza tekstilne antene sa kružnom polarizacijom za E pojas. Kroz

rad smo se upoznali sa značajkama tekstilnih mikrotrakastih antena, pojmom E pojasa i

kružne polarizacije. Proces dizajna antene zahtijevao je upoznavanje sa CST Microwave

Design softverom kako bi se antena uspješno simulirala i kako bi se optimizacijom postigli

što bolje vrijednosti parametara i samim time rezultati.

Jedan od najtežih dijelova izrade bio je izbor materijala, što se kasnije tijekom izrade

pokazalo ispravnim. Izbor materijala je ključan faktor, zato je dobro voditi se smjernicama:

Kod tekstilnih antena većinom se rade planarne strukture zbog svojih dobrih

karakteristika,

Potrebno je obratiti pozornost na upijanje vlage kod izabranog materijala zbog

promjene u elektromagnetskim svojstvima, povećanju dielektrične konstante i

tangensa gubitaka . Stabilniji su oni materijali koji imaju malu apsorpciju

vlage - manju od 3%,

Vodljive tkanine moraju imati što manju površinsku otpornost kako bi se minimizirali

površinski gubici i povećela učinkovitost antene. Premazane (eng. coated) tkanine

mogu imati puno lošija svojstva od vodljivih tkaninazbog diskontinuiteta koji mogu

povećati površinsku otpornost,

Tkanine su stabilnije od pletiva i pružaju veću geometrijsku točnost okvira antene.

Točnost veličine tkanih materijala ovisi o debljini komponenti pređe,

Prilikom spajanja odnosno ljepljenja slojeva potrebno je voditi računa o strani

materijala u vidu hrapavosti i gustoće vodljivih elemenata kako bi se minimizirali

gubici.

Naravno, uz sve to, treba uzeti u obzir dostupnost materijala i njihovu cijenu i iz svega toga

izvući optimum.

Prilikom prvog testiranja antena, zbog nepostojanja kontakta između vodljive tkanine koja je

služila kao GND i konektora, tkanina je zamijenjena bakrenim limom za kojega je konektor

zalemljen. Također na patchu na mjestu gdje vrh konektora probija tkaninu stavljen je mali

pravokutnik od bakrenog lima i vrh konektora je zalemljen radi boljeg kontakta.

89

Dobiveni rezultati u isto vrijeme su zadovoljavajući budući da se i dalje nalazimo u E pojasu

(frekvencijski pojas između 2 i 3 GHz) i dobivene krivulje su dosljedne jedna drugoj,

pogotovo kod antena istih dimenzija, a različitog načina rezanja što ukazuje na to da način

rezanja tkanine (skalpelom ili zig-zag škarama) značajno ne utječe na karakteristike antene.

Nezadovoljavajući su obzirom na izgled simulacijske i mjerene krivulje, rezonantnu

frekvenciju i vrijednosti parametara. Iznenađujući podatak je taj da su se rezultati

dobiveni za modele rezane zig-zag škarama pokazali izuzetno dobrima, suprotno

očekivanjima.

Ovaj rad bio je prvi doticaj sa tekstilnim antenama, ima mjesta za napredak, svaka je

pogreška nova lekcija za budućnost jer,

A person who never made a mistake never tried anything new.

Albert Einstein.

90

11 Literatura

[1] Skripta Uvod u mikrovalne sustave i primjene. Dostupno na:

http://www.fer.unizg.hr/_download/repository/Skripta_Antene_2013.pdf.

[2] Skripta Antene, Sveučilište u Dubrovniku. Dostupno na:

http://www.unidu.hr/unidu/enus/Antene.pdf.

[3] Antenna theory portal. Dostupno na http://www.antenna-theory.com/basics/main.html

[4] C. A. Balanis: Antenna theory analysis and design, 3.ed., Wiley-Interscience, 2005.

[5] Brunel University London. Dostupno na:

http://www.brunel.ac.uk/sed/ece/research/wncc/microstrip-patch-antenna.

[6] RF Globalnet. Dostupno na: http://www.rfglobalnet.com/doc/new-antennas-circular-

polarization-guarantees-improved-reception-0001.

[7] Kružna Polarizacija, Wikipedia. Dostupno na:

http://en.wikipedia.org/wiki/Circular_polarization.

[8] E pojas, Wikipedia. Dostupno na: http://en.wikipedia.org/wiki/E_band.

[9] E-band communications. Dostupno na: http://www.e-band.com/index.php?id=69.

[10] Designer reference. Dostupno na: http://referencedesigner.com/books/si/fringe-affect-

and-capacitance.php

[11] E. M. Purcell, “Elektricitet i magnetizam“, Udžbenik fizike Sveučilišta u Berkeleyu,

Tehnička knjiga Zagreb, 2. svezak, lipanj 1988.

[12] S. Sankaralingam, B. Gupta, “Determination of Dielectric Constant of Fabric

Materials and Their Use as Substrates for Design and Development of Antennas for

Wearable Applications”, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,

vol. 59, no. 12, Dec. 2010.

[13] CST - Computer Simulation Technology. Dostupno na:

https://www.cst.com/Products/CSTMWS.

[14] Projekt Patria. Dostupno na:

http://www.patria.fi/EN/Products+and+services/Situational+Awareness/Textile+Ante

nnas/index.html

[15] Tekstili, Wikipedia. Dostupno na: http://en.wikipedia.org/wiki/Textile

[16] Denim tkanina, Wikipedia. Dostupno na: http://en.wikipedia.org/wiki/Denim

[17] P. Lorrain, D. R. Corson, F.Lorrain, “Fundamentals of Electromagnetic Phenomena“,

W. H. Freeman and Company, New York, 2nd ed., 2001.

91

[18] Površinski otpor, Wikipedia. Dostupno na:

http://en.wikipedia.org/wiki/Sheet_resistance

[19] R. Salvado, C. Loss, R. Goncalves, P. Pinho, “Textile Materials for the Design of

Wearable Antennas: A Survey“, Sensors 2012, ISSN 1424-8220, studeni 2012.

[20] Elektrotekstili. Dostupno na: http://openmaterials.org/materials-101-electrotextiles/

[21] Vlačna čvrstoća, Wikipedia. Dostupno na:

http://hr.wikipedia.org/wiki/Vla%C4%8Dna_%C4%8Dvrsto%C4%87a

[22] Lessemf materijali. Dostupno na: http://www.lessemf.com/322.pdf

[23] Lessemf materijali. Dostupno na: http://www.lessemf.com/1212.pdf

[24] D.B–Popov, V. Petrović, J. Stepanović, M. Reljić: „Uticaj tkanine i konca na jačinu

šavova, naučno-stručni skup Menadžment, inovacijei razvoj“, Vrnjačka Banja, 03-04

april 2009.

[25] Ljepljiva folija. Dostupno na: http://www.ebay.com/itm/OCA-100-micro-Optically-

Clear-Adhesive-Double-Sided-Adhesive-Tape-Repair-

/121145187426?pt=Verschlussmittel_F%C3%Bcllmaterial&var=&hash=item61d345

6bb1

[26] Clover ljepilo. Dostupno na: http://www.cottonpatch.co.uk/acatalog/Clover-Fabric-

Adhesive-Stick-8541.html

[27] Gutterman ljepilo. Dostupno na: http://www.cottonpatch.co.uk/acatalog/Gutermann-

Tex-Bond-Fabric-Glue---30g-Tube-10776.html

[28] Vodljiva tkanina Medtex. Dostupno na: https://www.sparkfun.com/products/10055

[29] Vodljiva tkanina Medtex. Dostupno na:

https://www.sparkfun.com/datasheets/DevTools/LilyPad/medtex180.pdf

[30] Vodljiva tkanina Ripstop. Dostupno na: https://www.sparkfun.com/products/10056

[31] Vodljiva tkanina Ripstop. Dostupno na:

https://www.sparkfun.com/datasheets/DevTools/LilyPad/ripstopzell.pdf

[32] Vodljiva boja, tekuće srebro. Dostupno na:

http://www.chipoteka.hr/artikl/5328/vodljiva-boja-3-g-tekuce-srebro

92

12 Popis slika

Slika 2.1 Mikrotrakasta antena. Izvorno objavljeno u [4]. ......................................................... 7

Slika 2.2 Oblici mikrotrakastih antena. Izvorno objavljeno u [5] .............................................. 8

Slika 3.1 Vrste polarizacije antene. Izvorno objavljeno u [2]. .................................................. 9

Slika 3.2 Vektor električnog polja. Izvorno objavljeno u [6]. ................................................ 10

Slika 3.3 Desno kružno polarizirani val - lijevo kružno polarizirani val iz smjera izvora.

Izvorno objavljeno u [7]. .......................................................................................................... 10

Slika 3.4 Lijevo kružno polarizrani val - desno kružno polarizirani val iz smjera izvora.

Izvorno objavljeno u [7]. .......................................................................................................... 11

Slika 6.1 Prozor Create a New Project .................................................................................... 19

Slika 6.2 Postavke mesh opcije ................................................................................................ 20

Slika 6.3 Parametarski definirane varijable ............................................................................. 21

Slika 6.4 Postavke porta ........................................................................................................... 22

Slika 6.5 Opcija Monitor.......................................................................................................... 22

Slika 6.6 Parametri Transient solvera ...................................................................................... 23

Slika 6.7 Tlocrt antene i pozicija porta .................................................................................... 25

Slika 6.8 Poprečni presjek antene ............................................................................................ 26

Slika 6.9 Vrijednost parametara ....................................................................................... 28

Slika 6.10 Radijacijsko polje antene te lijeva i desna polarizacija .......................................... 29

Slika 6.11 Vrijednost parametara ..................................................................................... 31

Slika 6.12 Radijacijsko polje antene te lijeva i desna polarizacija ......................................... 32

Slika 6.13 Vrijednost parametara ..................................................................................... 34

Slika 6.14 Radijacijsko polje antene te lijeva i desna polarizacija ......................................... 35

Slika 7.1 Nova i istrošena tkanina denima ............................................................................... 38

Slika 7.2 Primjer jednostrane aluminijske vodljive tkanine (sjajna strana je vodljiva) [20] .. 42

Slika 7.3 Posrebrena tkanina, Izvorno objavljeno u [22] ........................................................ 44

Slika 7.4 Pobakrena tkanina, Izvorno objavljeno u [23] ......................................................... 45

Slika 7.5 Denim tkanine ........................................................................................................... 45

Slika 7.6 Poliester tkanina........................................................................................................ 46

Slika 8.1 Obostrano ljepljiva folija, Izvorno objavljeno u [25] ............................................... 49

Slika 8.2 Clover ljepilo, Izvorno objavljeno u [26] ................................................................ 50

Slika 8.3 Gutermann ljepilo za tkanine, Izvorno objavljeno u [27] ........................................ 50

93

Slika 8.4 Vodljiva Medtex tkanina korištena za GND, Izvorno objavljeno u [28,29] ............. 51

Slika 8.5 Vodljiva Ripstop tkanina korištena za patch, Izvorno objavljeno u [30,31] ........... 52

Slika 8.6 Korištena jeans tkanina ............................................................................................. 53

Slika 8.7 Početak izrade - priprema ......................................................................................... 54

Slika 8.8 Iscrtavanje oblika antene .......................................................................................... 55

Slika 8.9 Iscrtavanje s unutarnje strane jeans tkanine .............................................................. 55

Slika 8.10 Dva načina rezanja: cik-cak škare i skalpel te izrezani uzorci tkanina.................. 56

Slika 8.11 Cufanje tkanine ....................................................................................................... 56

Slika 8.12 Rezanje tkanine skalpelom ..................................................................................... 57

Slika 8.13 Rezanje tkanine cik-cak škarama............................................................................ 58

Slika 8.14 Izrezani okviri antene - supstrat .............................................................................. 59

Slika 8.15 Nanošenje ljepila na jeans tkaninu ......................................................................... 60

Slika 8.16 Razmazivanje ljepila lopaticom .............................................................................. 60

Slika 8.17 Postavljanje novog sloja jeans tkanine ................................................................... 61

Slika 8.18 Zaljepljeni supstrat.................................................................................................. 61

Slika 8.19 Priprema vodljive tkanine GNDa za iscrtavanje okvira ........................................ 62

Slika 8.20 Priprema za rezanje tkanine za GND...................................................................... 63

Slika 8.21 Priprema vodljive tkanine patcha za iscrtavanje okvira ......................................... 64

Slika 8.22 Izrezane vodljive tkanine pripremljene za ljepljenje ............................................. 65

Slika 8.23 Nanošenje ljepila na patch ...................................................................................... 66

Slika 8.24 Ljepljenje patcha za supstrat ................................................................................... 66

Slika 8.25 Prednja i stražnja strana tekstilne antene ................................................................ 67

Slika 8.26 Bušenje antene iglom .............................................................................................. 68

Slika 8.27 Probijanje antene iglom .......................................................................................... 68

Slika 8.28 GND i konektor ...................................................................................................... 69

Slika 8.29 Vodljiva boja - tekuće srebro, Izvorno objavljeno u [32] ...................................... 69

Slika 8.30 Izgled antene sa pokrovom ..................................................................................... 70

Slika 9.1 VNA uređaj ............................................................................................................... 71

Slika 9.2 Mjerenje antene ........................................................................................................ 72

Slika 9.3 Usporedba rezultata prilikom držanja 4s50 modela (oznaka _H) ........................... 73

Slika 9.4 Usporedba rezultata različito rezanih 4s50 i 4z50 antena ........................................ 74

Slika 9.5 Usporedba rezultata različito rezanih 4s50 i 4z50 antena prilikom držanja ............ 75

Slika 9.6 Usporedba rezultata prilikom držanja 3s50 antene (oznaka _H) ............................. 77

Slika 9.7 Usporedba rezultata različito rezanih 3s50 i 3z50 antena ....................................... 78

94

Slika 9.8 Usporedba rezultata različito rezanih 3s50 i 3z50 držanih antena ........................... 79

Slika 9.9 Rezultati mjerenja 3s50 modela antene bez pokrova .............................................. 80

Slika 9.10 Rezultati mjerenja 3z50 modela antena bez pokrova ............................................ 81

Slika 9.11 Usporedba rezultata prilikom držanja 3s70 modela (oznaka _H) ......................... 82

Slika 9.12 Usporedba rezultata različito rezanih 3s70 i 3z70 antena ..................................... 83

Slika 9.13 Usporedba rezultata različito rezanih 3s70 i 3z70 držanih antena ........................ 84

Slika 9.14 Kvašenje antene ...................................................................................................... 85

Slika 9.15 Usporedba simulacijskih i mjerenih vrijednosti 3s70 kvašenog modela ................ 86

Slika 9.16 Usporedba različitih načina mjerenja 3s70 antene ................................................ 87

13 Popis tablica

Tablica 4.1 EU, NATO frekvencijske oznake pojasa. Izvorno objavljeno u [8] .................... 14

Tablica 6.1 Mjerene i izračunate vrijednosti prve vrste antena ............................................... 27

Tablica 6.2 Mjerene i izračunate vrijednosti druge vrste antena ............................................. 30

Tablica 6.3 Mjerene i izračunate vrijednosti treće vrste antena ............................................... 33