Antenna design for passive sensors in non-conventional materials

Abstract

Motivado pela larga expansão dos sistemas RFID e com o desenvolvimento do conceito de Internet das Coisas, a evolução no desenho e métodos de produção de antenas em suportes de materiais alternativos tem tido uma exploração intensiva nos últimos anos. Isto permitiu, não só o desenvolvimento de produtos no campo da interação homem-máquina, mas também tornar estes produtos mais pequenos e leves. A procura de novas técnicas e métodos para produzir eletrónica impressa e antenas em materiais alternativos e, portanto, uma porta aberta para o aparecimento de novas tecnologias. Isto aplica-se especialmente no mercado dos sensores, onde o peso, o tamanho, o consumo energético, e a adaptabilidade a diversos ambientes, têm grande relevância. Esta tese foca-se no desenvolvimento de antenas com suporte em materiais não convenvionais, como os já testados papel e têxteis, mas também na exploração de outros, desconhecidos do ponto de vista eléctrico, como a cortiça e polímeros biodegradáveis usados em impressão 3D. Estes materiais são portanto usados como substrato, ou material de suporte, para diversas antenas e, como tal, as propriedades electromagnéticas destes materiais têm de ser determinadas. Assim, e apresentado neste documento uma revisão de métodos de caracterização de materiais, bem como a proposta de um método baseado em linhas de trasmissão impressas, e a respectiva caracterização electromagnética de diversos materiais. Além disso, são propostos desenhos de antenas para diversos cenários e aplicações utilizando os materiais anteriormente mencionados. Com esta tese concluiu-se que a utilização de materiais alternativos e hoje uma realidade e os resultados obtidos são muito encorajodares para o desenvolvimento de um conjunto de sensores para aplicações RFID com uma grande capacidade de integração.

The advancement of the design and fabrication of antennas using textiles or paper as substrates has rapidly grown motivated by the boom of RFID systems and the developing concept of the Internet of Things. These advancements have allowed, not only the development of products for manmachine interaction, but also to make these products smaller and lighter. The search for new techniques and methods to produce printed electronics and antennas in alternative materials is therefore an open door for new technologies to emerge. Especially in the sensors market, where weight, size, power consumption and the adaptability to the target application, are of great importance. This thesis focuses on the development of antenna design approaches with alternative materials, such as the already tested paper and textiles, but also others relatively unknown, such as cork and biodegradable polymers used in 3D printing. These materials are applied to act as substrates, or support structures for the antennas. Therefore, their electromagnetic properties need to be determined. Due to that, a review of electromagnetic characterization methods, as well as the proposal of a custom method based on printed transmission lines, is presented in this document. Besides, several antenna designs, for di erent application scenarios, using the previously mentioned materials, are proposed. With this thesis it was proved that it is possible to develop passive sensors in di erent alternative materials for RFID applications and others, which shows great promise in the use of these materials to achieve higher integration in sensing and identi cation applications.