Flexible, Wearable and Reconfigurable Antennas Based on Novel Conductive Materials

273 Pages·2017·19.38 MB·English

by  Shengjian Jammy Chen

Flexible, Wearable and Reconfigurable
Antennas Based on Novel Conductive
Materials: Graphene, Polymers and
Textiles
by
Shengjian Jammy Chen
B. Eng. (Information Engineering),
Guangdong University of Technology, China, 2003
M. Eng. (Electrical and Electronic Engineering),
The University of Adelaide, Australia, 2013
Thesis submitted for the degree of
Doctor of Philosophy
in
School of Electrical & Electronic Engineering
Faculty of Engineering, Computer & Mathematical Sciences
The University of Adelaide
2017
Supervisors:
Prof. Christophe Fumeaux, School ofElectrical &Electronic Engineering
Dr. Damith ChinthanaRanasinghe,School ofComputer Science
Dr. Thomas Kaufmann, School ofElectrical &Electronic Engineering
© 2017
Shengjian Jammy Chen
Adelaide Applied
All Rights Reserved
Electromagnetics
Tomydearestparents,
mystunning wife,Deyan
mytwo gorgeous daughtersBojinand Boyi
and my parents-in-law
withall mylove.
Page iv
Contents
Contents v
Abstract xi
Originality Declaration xiii
Acknowledgments xv
Thesis Conventions xix
Abbreviation xxi
Awards and Scholarships xxiii
Publications xxv
List of Figures xxvii
List of Tables xxxv
Chapter 1. Introduction 1
1.1 Introduction and motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Objectives ofthe thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Summary oforiginal contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1 Flexible and high-efficiency non-metallic antennas . . . . . . . . . 6
1.3.2 Shorting andconnection strategies for wearabletextiles antennas 8
1.3.3 Modular andreconfigurable wearabletextile antennas . . . . . . 10
1.3.4 Novel antenna structures for wearable applications . . . . . . . . 11
1.4 Thesisstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Chapter 2. Background 17
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Page v
Contents
2.2 Antennadesigns basedon conductive polymers . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.1 Conductive polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2 Conductive polymer antenna designs . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3 Antennadesigns basedon graphenecomposites . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.1 Grapheneand graphene composites . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.2 Antennadesigns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4 Antennadesigns basedon conductive textiles . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4.1 Conductive textiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4.2 Wearableantennadesigns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Chapter 3. Conductive Polymer Antennas 47
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2 Non-resonant antenna strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2.1 Antennamaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2.2 Antennadesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.3 Antennafabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2.4 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2.5 Antennabendingperformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2.6 Summary on non-resonant design . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.3 Chemicaltreatment strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.3.1 Material and treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.3.2 Antennadesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.3.3 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.3.4 Summary on chemical conductivity enhancement . . . . . . . . . 71
3.4 Laminatedmultilayer strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.4.1 Laminatedconductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.4.2 Preliminary experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.4.3 Summary on laminatedconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.5 Exploitation ofpolymeric antenna flexibility . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.5.1 Antennadesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.5.2 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.5.3 Antennamechanical flexibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Page vi
Contents
Chapter 4. High Efficiency Microwave Graphene Antenna 81
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.2 Graphene film preparation andcharacterization . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.1 Pristine graphene preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2.2 Graphenefilm preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3 Graphene antennadesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3.1 Antennaconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3.2 Antennafabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.4 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Chapter 5. Shorting and Connection Strategies for Wearable Textile Antennas 97
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.2 Wearabletextile antennashorting strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2.1 L-slot PIFAantenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.2.2 Shorting strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.2.3 Resultsand discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.2.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.3 Detachable wearable textile antenna feeding . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.3.1 The wearableelectronic system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.3.2 Snap-on button connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.3.3 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.3.4 Balancedtextile transmission lineconnector . . . . . . . . . . . . 116
5.3.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Chapter 6. Wearable Modular Textile Antennas 119
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.2 The antenna design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.2.1 Antennamaterials andstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.2.2 Snap-on buttons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Page vii
Contents
6.2.3 Antennafabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.3 The module design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.3.1 CPinterchangeable module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.3.2 LP-CPandfrequency interchangeable module . . . . . . . . . . . 130
6.3.3 λ/2-patch and λ/4-PIFA interchangeable module . . . . . . . . . 134
6.3.4 8 GHzmodule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.3.5 Foldable module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.3.6 Summary on module designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.4 Human bodyand bendingimpact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.4.1 Humanbody impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.4.2 Bendingimpact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
6.5 Anextended design with detachableshortings . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.5.1 Antennaconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
6.5.2 Configuration with vias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.5.3 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.5.4 Summary ofthe design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
Chapter 7. Reconfigurable Wearable Textile Antenna 157
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.2 Reconfigurable button modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7.2.1 Generalconcept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7.2.2 The proposed button module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7.3 Afrequency-reconfigurable antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.3.1 Antennaconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.3.2 Proof-of-concept experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Chapter 8. Wearable Microstrip Antenna Array 171
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
8.2 Arraydesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Page viii
Contents
8.2.1 Antennaconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
8.2.2 Control of coupling strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
8.3 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
8.3.1 Reflection andtransmission coefficients . . . . . . . . . . . . . . . 180
8.3.2 Radiation patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
8.3.3 Gain andefficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
8.3.4 Human impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
8.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
Chapter 9. Wearable Dielectric Resonator Antenna 193
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
9.2 DRAdesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
9.2.1 DRAconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
9.2.2 Antennamaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
9.2.3 Antennafabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
9.3 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
9.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
Chapter 10.Conclusion and Outlook 209
10.1 Summary preamble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
10.2 Part I:Flexible andhigh-efficiency non-metallic antennas . . . . . . . . . 210
10.2.1 Summary oforiginal contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
10.2.2 Future work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
10.3 Part II:Shorting andconnection strategies for wearabletextile antennas 214
10.3.1 Summary oforiginal contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
10.3.2 Future work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
10.4 Part III:Modular and reconfigurable wearable textile antennas . . . . . . 216
10.4.1 Summary oforiginal contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
10.4.2 Future work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
10.5 Part IV:Novel antenna structures for wearableapplications . . . . . . . . 218
10.5.1 Summary oforiginal contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
10.5.2 Future work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
10.6 Concluding statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
Page ix
Contents
Bibliography 221
Biography 237
Page x