Développement d'un système portable améliorant la propagation des ondes EM pour la communication sans fil sur le corps

Development of wearable system enhancing EM wave propagation for wireless on-body communication

• Auteur / Autrice : Maria El Bacha
• Direction : Fabien Ferrero
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 01/12/2022
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique, antennes et télécommunications (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Tân-Phu Vuong
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Ferrero, Tân-Phu Vuong, Habiba Ouslimani, Laure Huitema, Leonardo Lizzi, Ludovic Burgnies
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Habiba Ouslimani, Laure Huitema

Mots clés

Mots clés contrôlés

Internet des objets

Excitation électronique

Réseaux corporels sans fils

Guides d'ondes

Ondes électromagnétiques -- Propagation

Mots clés libres

Surface de guide d'ondes

Réseau corporel sans fil (WBAN)

Structure d'excitation

Vêtements intelligents

Niveau de transmission

Couplage

Waveguide surface

Wireless Body Area Network (WBAN)

End-launcher

Smart clothes

Transmission rate

Coupling

Résumé

Au cours de la dernière décennie, les technologies portables ont progressé pour devenir l'un des domaines les plus prometteur dans les prochaines années. Des montres intelligentes aux chaussettes électroniques, le marché prospère jour après jour et continue de croître grâce aux efforts combinés des chercheurs et des contributions industrielles en la matière. Jusqu'à présent, les défis auxquels les technologies portables sont confrontées ne sont pas encore complètement résolus en raison d'un certain nombre de limites liées aux caractéristiques essentielles des habits comme le lavage et le repassage des vêtements, ainsi que des caractéristiques liées aux spécifications électroniques comme la durée de vie limitée du vêtement et son caractère autonome et sans fil.L'objectif de cette thèse est de développer des systèmes portables pour améliorer la propagation des ondes électromagnétiques pour les communications sans fils sur le corps humain. Les applications visées sont les réseaux corporels sans fils à travers les vêtements intelligents.Dans la première partie, une surface guide d'onde a été conçue pour guider les ondes dans la bande ISM (2.4 - 2.48 GHz). La surface périodique est constituée d'un substrat fin adapté au textile électronique ainsi qu'un plan de masse qui, grâce à ses propriétés de blindage, protège la santé humaine de l'exposition aux rayonnements RF pénétrant dans le corps. Pour étudier le mode de propagation de la surface proposée, un diagramme de dispersion est tracé et analysé à l'aide du solveur de modes propres. La circulation du champ électrique a également été prise en compte.La seconde partie de la thèse a été consacrée à la conception de plusieurs structures d'excitation de la surface du guide d'ondes et assure un couplage élevé qui augmente le taux de transmission et améliore le niveau de communication. Un dipôle qui intègre un câble pour l'alimentation, assure des performances élevées en termes de guidage des ondes sur la structure modélisée. De plus, un résonateur à double branche est conçu et prouvé pour l'obtention du plus haut taux de couplage avec la surface de guide d'onde grâce à ses doubles branches. Ce modèle est miniaturisé avec 30 × 30 mm en termes de dimensions. Afin qu'il soit autonome, sans câble et adapté au Bluetooth, un espace de 25 × 25 mm est dédié aux composants électroniques tels que la batterie, les Leds, le microcontrôleur BLE etc...La troisième et dernière partie comprend le processus de fabrication ainsi que la phase de mesure et de validation. Un prototype 100% textile est fabriqué à l'aide d'un substrat polaire et de tissus conducteurs. Les mesures du signal qui se propage entre les excitateurs couplés à la surface du textile, atteignent un taux de transmission élevé (-10 dB). Enfin, un système intégré est mis en place comprenant un capteur intégrant une antenne et de l'électronique transmettant un signal guidé par la surface vers un smartphone qui utilise la technologie en Bluetooth. L'ensemble du système a été évalué par le biais du niveau de puissance reçue (RSSI).

Over the last decade, wearable technologies have pushed ahead to become one of the most promising domains in the next decennium. From smart watches to e-socks, the market is thriving day after day and continues to be ever-growing with combined efforts of the compelling research done and industries' interventions and contributions to the matter. Until now, the challenges that wearable clothes are facing are still not easily resolved due to a number of issues and problematic features like washing and ironing the clothes, as well as features related to electronic specifications like having a limited lifetime of the wearable and being autonomous and wireless.This thesis' purpose is to develop wearable systems to improve the propagation of electromagnetic waves for on-body communication. The targeted applications are wireless body area networks (WBAN) integrated into smart clothes.In the first part, a waveguide surface was designed to guide the waves at the ISM band (2.4 - 2.48 GHz). The periodic surface has a thin substrate suitable for e-textile in addition to a ground plane. Due to its shielding properties, this ground plane protects human health from RF radiation exposure penetrating the body. To study the propagating mode of the proposed surface, the dispersion diagram is plotted and analyzed using the eigenmode solver. E-field circulation was also taken into account.The second part of the thesis was dedicated to conceiving several end-launcher that excites the waveguide surface and assures high coupling which increases the transmission rate and improves the communication level. A dipole that integrates a cable for the feeding part, assures high performance in terms of waveguiding over the modeled structure. A final dual-branch resonator end-launcher is designed and proved to obtain the highest coupling rate with the waveguide surface thanks to its double branches. This model is miniaturized with 30 × 30 mm in terms of dimensions. In order for it to be autonomous, wireless and Bluetooth adapted, a 25 × 25 mm space is dedicated for electronic components such as batteries, LEDs, BLE microcontroller, etc...The third and last part includes the manufacturing process as well as the measurement and validation phase. A full textile prototype is fabricated using polar substrate and conductive tissues. Measurements of the signal propagating between the end-launchers coupled to the textile surface reach a high transmission rate of -10 dB. Finally, an integrated system is set up including a sensor integrating antenna and electronics transmitting a signal through the waveguide surface to a smartphone using Bluetooth technology. The whole system was evaluated through the received power (RSSI) level.