Дышащие RF-E-текстили: гибкие проводящие ткани для носимых коммуникаций

Обзор

Марио Д'Аурия, Джон Гринвуд и Крис Хант из Pireta, вместе с Мартином Солтером и Ником Ридлером из Национальной Физической Лаборатории (NPL), представляют пионерский метод осаждения проводящих дорожек непосредственно на ткань. Этот прорыв открывает путь к широкому спектру носимых устройств.

В RF-области значительные усилия фокусировались на высокопроизводительных подложках, снижающих потери и расширяющих рабочую полосу. Хотя многие варианты теперь доступны, они преимущественно жесткие или только полугибкие, упуская рынки, где экстремальная производительность не нужна, но механическая податливость критична.

По мере уменьшения устройств и снижения стоимости, носимая технология становится центральным фокусом для отраслей от здравоохранения до обороны до фитнеса. Конвенциональное производство опирается на жесткие компоненты, делая миниатюризацию сложной, особенно для RF-систем, где геометрия тесно связана с частотой.

Крупные, громоздкие беспроводные носимые устройства ограничивают свободу и комфорт пользователя. Наша проводящая-тканевая технология предоставляет пространственную и дизайнерскую свободу, сохраняя гибкость и дышащие свойства.

Проприетарный процесс Pireta, совместимый с натуральными и синтетическими волокнами, состоит из пяти стадий погружения — очистки, сенсибилизации, печати засевного слоя, бессвинцового металлического осаждения и пассивации — вместе с печатаемым засевным слоем, дающим геометрическую свободу.

Метод масштабируем и разделяет шаги с рулонно-рулонной цифровой печатью, позволяя крупномасштабное производство. Металл обкладывает волокна без ущерба обращению, драпировке, растяжению или дышащим свойствам.

Линии передачи, существенные для RF-оценки, были изготовлены на хлопковой ткани с использованием процесса Pireta. Два копланарных полосовых участка (дорожки 5 мм ширина, зазор 2 мм) были сделаны длиной 50 мм и 80 мм. Дорожки сначала засеяли серебром, затем медью, и наконец пассивировали серебряным слоем.

После изготовления фактическая ширина дорожки составила 5.5 мм, зазор 1.7 мм. SMA-разъемы были припаяны к концам, процесс, ставший возможным благодаря равномерному металлическому покрытию.

VNA измерения

Измерения выполнялись в NPL с Keysight PNA-X векторным сетевым анализатором по 10 МГц–10 ГГц. Точные 3.5-мм разъемы (рейтинг до 33 ГГц) использовались; SMA разъемы распространены до ~12 ГГц. Предшествовала калибровка short-open-load-thru.

Рисунки 2 и 3 показывают S-параметры для 50-мм и 80-мм линий. Коэффициенты отражения (S11 и S22) плохи выше 100 МГц, вероятно из-за ограничений разрешения печати. Реализация импедансного преобразователя может смять это несоответствие. Почти идентичные значения S11 и S22 подтверждают хорошую повторяемость разъемов.

Коэффициенты передачи (S12, S21) остаются приемлемыми до 2 ГГц, предполагая, что линии функциональны после устранения несоответствия. Таблица 1 резюмирует потери S21 на выбранных частотах.

Используя стандартную формулу затухания, скорректированные потери на единицу длины (αd) были рассчитаны (см. Рисунок 4). Для коротких участков потери удивительно низки: ~0.20 дБ/см от 10 МГц до 100 МГц, растущие до ~0.32 дБ/см близко к 1 ГГц.

Улучшенная металлизация

Для снижения омических потерь был добавлен этап гальванического меднонаплавления после пассивации, создав гальванический (EP) вариант рядом с оригинальным бессвинцовым (EL) линиями. Оба набора имели похожий внешний вид, с незначительным увеличением жесткости.

EP линии показывают улучшение 0.2 дБ/см над EL по 10–100 МГц, с потерями, постепенно растущими после 100 МГц. На 1 ГГц EP потери достигают 0.3 дБ/см. Оставшиеся потери атрибутируются геометрическим несовершенствам и шероховатости ткани; более тонкие ткани и уточненные дизайны должны дальше улучшить производительность.

Взаимодействие с человеческой тканью

Когда линии контактируют с кожей напрямую (Рисунок 7a), производительность деградирует из-за потерь в ткани. Введение изоляционного спейсера (Рисунок 7b) дает похожие потери, тогда как добавление второго проводящего слоя под линией восстанавливает производительность (Рисунок 7c). Эти результаты указывают, что с правильным дизайном эффекты тела могут быть в значительной степени смягчены.

Эффект деформации ткани

Рисунок 9 показывает затухание на единицу длины по всем пяти условиям. Линии демонстрируют минимальную вариацию, с лишь незначительным увеличением в конфигурации вибрации, вероятно из-за межсегментного сцепления.

Результаты и будущая работа

Данные подтверждают, что проводящие-тканевые линии передачи могут эффективно работать до как минимум 1 ГГц, покрывая AM, FM, RFID, Wi-Fi/Bluetooth и спутниковые радиочастоты. Нейтрализуя влияние человеческой ткани и показывая устойчивость к деформации, технология хорошо подходит для носимых RF-применений. Будущая работа будет оптимизировать планарную геометрию, исследовать диэлектрические постоянные подложки, толщину линий и решать неравномерные токовые пути относительно обычных твердых металлических дорожек.

Заключения

Процесс Pireta e-textile, хотя все еще الناشئ, демонстрирует способность соответствовать RF-требованиям многих телеком применений, включая sub-6 ГГц 5G, сохраняя текстильные свойства такие как обращение, драпировка и дышащие свойства. Эта двойная способность открывает новые пути для продуктовой инновации по разным секторам.

Ссылки

1. R. Garg, I. Bahl, M. Bozzi, Microstrip Lines and Slotlines. London: Artech House, 2013, pp. 376–377.
2. IEEE Std 287-2007, "IEEE Standard for Precision Coaxial Connectors (DC to 110 GHz)."
3. IEC 60169-15:1979, "Radio-frequency connectors. Part 15: R.F. coaxial connectors with inner diameter of outer conductor 4.13 mm (0.163 in) with screw coupling – Characteristic impedance 50 Ω (Type SMA)."
4. S. Rehnmark, "On the Calibration Process of Automatic Network Analyzer Systems," IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, Apr 1974, pp. 457–458.
5. F. L. Warner, A. E. Bailey, "Attenuation measurement," in Microwave Measurements, London, U.K.: IEE, pp. 132–134, 1989.