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Publication
Design and Study of a Wearable Antenna for Aquatic Communication
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
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| 28.11 MB | Adobe PDF |
Authors
Abstract(s)
Efficient communication in aquatic environments remains a significant engineering challenge, due to the high permittivity and conductivity of water, which cause severe attenuation of electromagnetic waves.
This dissertation explores a practical solution: the design and simulation of a wearable antenna integrated into a swimmer’s suit, aiming to enable reliable short-range, of a few centimeters, communication between the user and an external receiver. Such a system is particularly relevant in scenarios where mobility, comfort and operational efficiency are essential, including aquatic sports, search-and-rescue missions and military operations. The antenna was designed to operate at 2.45 GHz, a frequency within the Industrial, Scientific and Medical (ISM) band, due to its compatibility with low-power wireless protocols such as Bluetooth. A theoretical analysis of electromagnetic wave propagation in water was conducted, including the impact of human tissue and water attenuation and material influence. Link budget calculations and analytical models were used to compare multiple operating frequencies and to define antenna positioning scenarios. Two antenna topologies were initially analyzed through numerical simulations using CST Studio Suite, the Inverted-F Antenna (IFA) and a Slotted Patch antenna. The latter antenna was selected and further optimized for integration into a flexible neoprene layer, simulating realistic wearable conditions near the human body. Further studies concluded that this antenna was sensitive to water layers changing its resonant frequency significantly. A search for an alternative antenna was needed. The study introduced a third antenna, the Wearable Parallel Patch Antenna (WPPA), simulations and experimental work were conducted and
prevailed and the trials demonstrated good enough results for its fabrication. A homogeneous phantom was fabricated to replicate the dielectric properties of muscle
tissue at 2.45 GHz, enabling realistic physical testing of the antenna in aquatic and non-aquatic environments. Experimental measurements were conducted using the fabricated antenna, and the final results showed a good agreement with the simulations.
The WPPA exhibits a linear polarized antenna with a bandwidth of |S11| < 10dB, achieving a gain of -5.11 dBi in the water environment and 6.36 dBi in the air environment. To enable data collection from the WPPA, an ESP32- CAM microcontroller with integrated Bluetooth was connected to it, while a second ESP32-CAM was linked to the receiving antenna positioned outside the aquatic environment.
This setup allowed the external antenna to capture both the distance between the two antennas and the Received Signal Strength Indicator (RSSI). Future research would be valuable to further investigate the practical application of this approach, particularly in using ESP32-CAM units with external antennas for wireless real world implementations.
A comunicação eficiente em ambientes aquáticos continua a representar um desafio significativo para a engenharia, devido à elevada permitividade e condutividade da água, que causam uma forte atenuação das ondas eletromagnéticas. Esta dissertação propõe uma abordagem prática baseada no desenvolvimento e simulação de uma antena incorporada no vestuário do utilizador/nadador, concebida para permitir uma comunicação fiável, de curto alcance, com um recetor externo. A solução proposta assume particular relevância em contextos onde a mobilidade, o conforto e a eficiência operacional são determinantes, como nos desportos aquáticos, em missões de busca e salvamento e em operações militares. A antena foi concebida para operar a 2.45 GHz, uma frequência pertencente à banda ISM (Industrial, Científica e Médica), pela sua compatibilidade com protocolos de comunicação sem fios de baixa potência, como o Bluetooth. A investigação incluiu uma análise teórica da propagação de ondas eletromagnéticas na água, considerando o impacto dos tecidos humanos, a atenuação induzida pela água e a influência dos materiais. Efetuaram-se cálculos para o link budget para verificar a validação da frequência de operação. Duas topologias de antena foram inicialmente analisadas através de simulações numéricas com o software CST Studio Suite: a antena Inverted-F (IFA) e uma antena Slotted Patch. Esta última foi selecionada e posteriormente otimizada, em CST, para integração numa camada flexível de neoprene, simulando condições realistas wearable junto ao corpo humano. Estudos adicionais revelaram que a antena era sensível à presença de camadas de água, alterando significativamente a sua frequência de ressonância, o que motivou o desenvolvimento de uma nova configuração alternativa. Foi então introduzida, uma terceira antena, a designada Wearable Parallel Patch Antenna, WPPA, tendo esta sido submetida a simulações que justificaram a sua fabricação. Posteriormente a WPPA foi submetida a testes de validação experimental que demonstraram resultados positivos. Para validação experimental, foi ainda desenvolvido um phantom homogéneo para replicar as propriedades dielétricas do corpo humano a 2.45 GHz, permitindo a realização de testes físicos realistas da antena em ambientes aquáticos e não aquáticos. Foram realizados testes experimentais utilizando a antena fabricada, e os resultados finais apresentam uma boa concordância com as simulações. A WPPA apresenta polarização linear, com uma largura de banda definida por |S11| < 10dB, obtendo um ganho de -5.11 dBi in no ambiente aquatico e de 6.36 dBi no ambiente fora de água. Para possibilitar a recolha de dados a partir do WPPA, este, foi ligado a um microcontrolador ESP32-CAM com Bluetooth integrado, enquanto um segundo ESP32-CAM foi ligado à antena recetora posicionada no exterior do ambiente aquático. Esta configuração permitiu à antena externa obter tanto a distância entre as duas antenas como o Received Signal Strength Indicator (RSSI). Para trabalho futuro, seria de grande interesse aprofundar a aplicação prática desta abordagem, nomeadamente na implementação de unidades ESP32-CAM com antenas externas em cenários reais de comunicação sem fios.
A comunicação eficiente em ambientes aquáticos continua a representar um desafio significativo para a engenharia, devido à elevada permitividade e condutividade da água, que causam uma forte atenuação das ondas eletromagnéticas. Esta dissertação propõe uma abordagem prática baseada no desenvolvimento e simulação de uma antena incorporada no vestuário do utilizador/nadador, concebida para permitir uma comunicação fiável, de curto alcance, com um recetor externo. A solução proposta assume particular relevância em contextos onde a mobilidade, o conforto e a eficiência operacional são determinantes, como nos desportos aquáticos, em missões de busca e salvamento e em operações militares. A antena foi concebida para operar a 2.45 GHz, uma frequência pertencente à banda ISM (Industrial, Científica e Médica), pela sua compatibilidade com protocolos de comunicação sem fios de baixa potência, como o Bluetooth. A investigação incluiu uma análise teórica da propagação de ondas eletromagnéticas na água, considerando o impacto dos tecidos humanos, a atenuação induzida pela água e a influência dos materiais. Efetuaram-se cálculos para o link budget para verificar a validação da frequência de operação. Duas topologias de antena foram inicialmente analisadas através de simulações numéricas com o software CST Studio Suite: a antena Inverted-F (IFA) e uma antena Slotted Patch. Esta última foi selecionada e posteriormente otimizada, em CST, para integração numa camada flexível de neoprene, simulando condições realistas wearable junto ao corpo humano. Estudos adicionais revelaram que a antena era sensível à presença de camadas de água, alterando significativamente a sua frequência de ressonância, o que motivou o desenvolvimento de uma nova configuração alternativa. Foi então introduzida, uma terceira antena, a designada Wearable Parallel Patch Antenna, WPPA, tendo esta sido submetida a simulações que justificaram a sua fabricação. Posteriormente a WPPA foi submetida a testes de validação experimental que demonstraram resultados positivos. Para validação experimental, foi ainda desenvolvido um phantom homogéneo para replicar as propriedades dielétricas do corpo humano a 2.45 GHz, permitindo a realização de testes físicos realistas da antena em ambientes aquáticos e não aquáticos. Foram realizados testes experimentais utilizando a antena fabricada, e os resultados finais apresentam uma boa concordância com as simulações. A WPPA apresenta polarização linear, com uma largura de banda definida por |S11| < 10dB, obtendo um ganho de -5.11 dBi in no ambiente aquatico e de 6.36 dBi no ambiente fora de água. Para possibilitar a recolha de dados a partir do WPPA, este, foi ligado a um microcontrolador ESP32-CAM com Bluetooth integrado, enquanto um segundo ESP32-CAM foi ligado à antena recetora posicionada no exterior do ambiente aquático. Esta configuração permitiu à antena externa obter tanto a distância entre as duas antenas como o Received Signal Strength Indicator (RSSI). Para trabalho futuro, seria de grande interesse aprofundar a aplicação prática desta abordagem, nomeadamente na implementação de unidades ESP32-CAM com antenas externas em cenários reais de comunicação sem fios.
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Keywords
Wearable antenna Aquatic communication air-water interface WPPA Neoprene Phantom model 2.45 GHz frequency Antena wearable Comunicação aquática Interface ar-água WPPA Neoprene Phantom Frequência de operação 2.45 GHz
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