Дышащий электронный текстиль для носимых радиочастотных приложений

Марио Д’Аурия, Джон Гринвуд и Крис Хант из Пиреты, а также Мартин Солтер и Ник Ридлер из Национальной физической лаборатории (NPL). Эта новая технология позволяет создавать токопроводящие дорожки на ткани, что делает ее потенциальным решением для широкого спектра носимых устройств.

В мире радиосвязи были предприняты значительные усилия для разработки высокоэффективных подложек для снижения потерь и увеличения частот. Хотя сейчас на рынке представлено много вариантов высокоэффективных подложек, большинство из них можно отнести к жестким или, в лучшем случае, полугибким. Фактически, в этой гонке высокопроизводительных автомобилей многие упустили из виду все рынки, на которых не требовались экстремальные характеристики и высокие частоты. Скорее, эти рынки выиграли бы от новых механически совместимых субстратов.

В нашу эпоху, когда технологии становятся все меньше и дешевле, все больше людей обращают внимание на носимые технологии как на преобладающую область интересов для различных рынков, от медицины до военных и фитнеса. Традиционная технология производства, в которой используются «жесткие» компоненты, требует больших усилий для миниатюризации всего компонента. Однако такой подход не подходит для ВЧ-приложений, в которых общая геометрия зависит от частоты и налагает определенные ограничения, которые нелегко преодолеть.

Фактически, многие носимые устройства, требующие беспроводной связи, являются большими и громоздкими, что ограничивает свободу передвижения или, по крайней мере, комфорт пользователя. Здесь мы хотим проиллюстрировать, как технология, которая позволяет создавать проводящие дорожки на ткани, может обеспечить свободу пространства и дизайна, сохраняя при этом комфорт и гибкость для конечного пользователя.

Технологический процесс Pireta, который позволяет создавать проводящие дорожки и узоры на текстиле, подходит как для натуральных, так и для синтетических волокон. Этот запатентованный процесс включает пять этапов:очистка, сенсибилизация, печать посевного слоя, нанесение покрытия химическим способом и пассивация. Это все процессы погружения, за исключением печати семенного слоя, которая дает геометрическую свободу при создании желаемого рисунка.

Разработанный с учетом масштабируемости, этот процесс подходит для крупномасштабного производства, разделяя некоторые этапы обработки с цифровой печатью с рулона на рулон. Ткань покрыта металлом на уровне волокон, что делает ее проводящей без потери присущих ей свойств, таких как ручка, драпировка, эластичность и воздухопроницаемость.

Одна из фундаментальных структур, связанных с оценкой пригодности процесса для ВЧ приложений, - это линии передачи. Таким образом, короткие секции линии электропередачи были изготовлены на хлопчатобумажной ткани с использованием процесса Пирета.

Линии электропередачи состояли из двух дорожек шириной 5 мм с расстоянием между ними 2 мм. Были изготовлены две разные версии:одна с двумя линиями передачи длиной 50 мм, а другая - с двумя линиями передачи длиной 80 мм. Такая линия передачи, известная как копланарная полоса , является электромагнитным (ЭМ) аналогом копланарного волновода. ¹ Они были изготовлены путем нанесения затравочного слоя серебра с использованием процесса Пирета с последующим нанесением покрытия методом химического восстановления медью и, наконец, пассивацией серебряного слоя.

После изготовления снова были проведены геометрические измерения, и ширина дорожки составила 5,5 мм с зазором 1,7 мм. Впоследствии кусок ткани был подшит, что позволило припаять коаксиальные разъемы типа SMA к концам (рис. 1) . Поскольку эта технология обеспечивает равномерное покрытие волокон металлом, поверхность ткани подходит для пайки с использованием обычного свинца или бессвинцового припоя, в зависимости только от устойчивости ткани к высоким температурам.

1. Линии передачи диаметром 80 мм с разъемами SMA подключаются к кабелям векторного анализатора цепей.

Измерения ВАЦ

Измерения проводились в Национальной физической лаборатории с использованием векторного анализатора цепей Keysight PNA-X (VNA). Частота испытаний варьировалась от 10 МГц до 10 ГГц. В кабелях, подключенных к ВАЦ, используются прецизионные разъемы 3,5 мм, рассчитанные на частоту до 33 ГГц. ² (Разъемы SMA обычно используются на частотах примерно до 12 ГГц, хотя их можно использовать и на более высоких частотах.) ³ Перед выполнением измерений была проведена калибровка короткого замыкания при открытой нагрузке (SOLT). ⁴ Результаты измерений (т. Е. S-параметры) для одной из линий длиной 50 мм и одной из линий длиной 80 мм показаны на рисунках 2 . и 3 соответственно.

2. Это S-параметры (a и b) для линии длиной 50 мм.

3. Построены S-параметры (a и b) для линии длиной 80 мм.

Для обеих линий значения параметров отражения (S ₁₁ и S ₂₂ ) показывают относительно плохое согласование на частотах выше 100 МГц. Из-за ограничений разрешения процесса печати, а это предварительный тест, сопротивление линий намеренно не оптимизировалось. Однако вполне возможно, что реализация трансформатора импеданса может решить эту проблему согласования. Кроме того, в обоих случаях S ₁₁ и S ₂₂ практически идентичны на каждой частоте, что свидетельствует о хорошей воспроизводимости процесса пайки разъемов SMA.

Параметры передачи (S ₁₂ и S ₂₁ ) для обеих линий демонстрируют приемлемую производительность до 2 ГГц и, возможно, выше, после того, как конструкция будет оптимизирована для уменьшения несоответствия между разъемами тестового порта VNA. Потери при передаче, суммированные в единицах S ₂₁ на определенных частотах для всех четырех строк показаны в таблице .

S ₂₁ измерения проводились на определенных частотах для четырех линий.

Используя формулу ниже: ⁵

можно вычислить α ’ _d (то есть затухание на единицу длины после корректировки потерь рассогласования) для двух линий. Результаты показаны на рисунке 4 . показывают очень низкое затухание на единицу длины для электрически коротких участков линии, то есть примерно 0,20 дБ / см в диапазоне от 10 МГц до 100 МГц и 0,32 дБ / см на частоте около 1 ГГц.

4. Расчетное затухание на единицу длины дано для линий длиной 50 и 80 мм.

Увеличение металлизации

Для улучшения характеристик этих линий передачи РЧ был изготовлен новый комплект линий. На этот раз после этапа пассивации был добавлен этап гальванического покрытия медью для уменьшения омических потерь. Эти стропы имели такой же внешний вид, как и ранее изготовленные стропы, с незначительным увеличением жесткости.

Рисунок 5 показывает измеренное затухание на единицу длины как для набора линий передачи, изготовленных с использованием стандартного процесса химического восстановления Pireta (EL), так и для нового набора линий, изготовленных с дополнительным слоем гальванизированной (EP) меди. Параметры дизайна и тестирования оставались неизменными, чтобы можно было напрямую сравнивать результаты. Параметры гальваники:50 мА / см ² . в течение 10 минут.

5. Было проведено сравнение затухания на единицу длины между линиями 50 и 80 мм, полученными методом химического (EL) и гальваническим (EP) покрытием.

Результаты показывают значительное улучшение в диапазоне частот от 10 до 100 МГц. Выше 100 МГц потери начинают постепенно увеличиваться. Тем не менее, результаты продолжают указывать на улучшение на 0,2 дБ / см по сравнению с линиями, полученными методом химического восстановления, что приводит к потерям на единицу длины 0,3 дБ / см на частоте 1 ГГц.

Считается, что это увеличение потерь происходит из-за неизбежных геометрических дефектов линий, шероховатостей отпечатков, вызванных узором плетения, и шероховатости самой ткани. Логично предположить, что лучший дизайн и более тонкая ткань улучшили бы результаты. Пригодность технологии Pireta зависит от требований приложения. Посредством гальванического покрытия медью полезная частота может быть увеличена как минимум до 1 ГГц.

Близость тканей

6. Ослабление выявляется в случаях контакта с тканями человека (пальцами), с прокладкой между тканями и с тканью с набивным рисунком, сложенной между линией передачи и тканью.

Чтобы технологию Pireta можно было использовать на одежде, она должна подходить для использования при контакте с кожей. Следует ожидать, что тело, будучи средой с потерями, ухудшит характеристики линий передачи. Это можно увидеть на рисунке 6 . , когда три пальца находились непосредственно под линиями передачи (рис. 7а) .

7. Линии передачи диаметром 80 мм были протестированы с рукой под (a), изоляционным слоем между рукой и линиями (b), а также с другой линией, загнутой внизу, и рукой под (c). (Результаты см. На рисунке 6).

Аналогичное ухудшение характеристик наблюдалось, когда между пальцами и линиями был помещен изолирующий слой (рис. 7b) . Однако, если под линиями поместить еще один слой проводящей ткани, характеристики останутся примерно такими же (рис. 7c) . . Это демонстрирует, что при правильном дизайне влияние человеческого тела на работоспособность можно почти исключить.

Не плоская ткань

8. К тканевым линиям передачи применялись четыре различных условия испытаний:U-образный изгиб (a), покачивание (b), смещение (c) и скручивание на 180 ° (d).

Наконец, линии были протестированы при различных условиях деформации тканевой основы (т.е. плоской, U-образной, изгибающейся, смещенной и скрученной) ( Рис. 8 ). Рисунок 9 показывает результаты для всех этих условий испытаний. В результате этих различных условий испытаний наблюдается очень небольшое отклонение измеренных характеристик, при лишь немного более высоких потерях в конфигурации покачивания. Это может быть связано с образованием связи между различными участками линии, о чем свидетельствует сдвиг наблюдаемых пиков для этих линий передачи.

9. Это измеренное затухание на единицу длины для всех пяти условий испытаний:плоский, U-образный изгиб, покачивание, смещение и скручивание.

Результаты и дальнейшая работа

Представленные результаты показывают осуществимость процесса создания линий передачи на фабрике для РЧ-приложений до как минимум 1 ГГц и, возможно, выше. Это соответствует диапазону частот радиосвязи (AM:от 0,3 до 3 МГц, FM:от 30 до 300 МГц), RFID (от 3 до 30 МГц) и беспроводной связи (Wi-Fi / Bluetooth:2,4 ГГц, спутниковое радио:1,4 /2,3 ГГц). С возможностью устранения влияния тканей человека на характеристики этих линий передачи, этот подход может быть использован для носимых радиочастотных приложений. Это также подтверждается наблюдаемой устойчивостью к деформации ткани, которая очень мало повлияла на измеренные потери в линиях.

Дальнейшие шаги будут включать оптимизацию планарной структуры для уменьшения потерь на отражение. Кроме того, будут учитываться диэлектрическая проницаемость тканевой подложки, толщина проводящих линий и неравномерность пути прохождения тока по сравнению с обычными сплошными металлическими дорожками.

Выводы

Было продемонстрировано, что технология Pireta, хотя она все еще находится в зачаточном состоянии, может предоставить технологию электронного текстиля, которая отвечает требованиям RF многих телекоммуникационных приложений, включая часть спектра 5G ниже 6 ГГц. При этом технология не влияет на текстильные характеристики ручки, драпировки и воздухопроницаемость. Это захватывающее сочетание свойств открывает важные возможности во многих областях применения и потенциально открывает двери для разработки новых продуктов.

Ссылки

1. Р. Гарг, И. Бахл, М. Боззи, Микрополосковые линии и линии слотов . Лондон:Artech House, 2013, стр. 376–377.
2. IEEE Std 287-2007, «Стандарт IEEE для прецизионных коаксиальных разъемов (от постоянного тока до 110 ГГц)».
3. IEC 60169-15:1979, «Радиочастотные соединители. Часть 15:Р.Ф. коаксиальные соединители с внутренним диаметром внешнего проводника 4,13 мм (0,163 дюйма) с винтовым соединением - характеристическое сопротивление 50 Ом (тип SMA) ».
4. С. Реммарк, «О процессе калибровки систем автоматических сетевых анализаторов», IEEE Trans. О теории и методах микроволнового излучения , Апрель 1974 г., стр. 457–458.
5. Ф. Л. Уорнер, А. Э. Бейли, «Измерение затухания» в микроволновых измерениях, Лондон, Великобритания:IEE, p. 132–134, 1989 г.