Ademend e-textiel voor draagbare RF-apps

door Mario D'Auria, John Greenwood en Chris Hunt bij Pireta, en Martin Salter en Nick Ridler bij National Physical Laboratory (NPL). Deze nieuwe technologie maakt het mogelijk om geleidende sporen op stof te creëren, waardoor het een potentiële oplossing is voor een breed scala aan wearables.

In de RF-wereld is een aanzienlijke inspanning geleverd om hoogwaardige substraten te ontwikkelen om verliezen te verminderen en frequenties uit te breiden. Hoewel er nu veel hoogwaardige substraatopties op de markt zijn, kunnen de meeste worden geclassificeerd als rigide, of op zijn best, semi-flexibel. In deze race hebben velen zelfs alle markten over het hoofd gezien waarin extreme prestaties en hoge frequenties niet vereist waren. Deze markten zouden eerder hebben geprofiteerd van nieuwe mechanisch compatibele substraten.

In dit tijdperk waarin technologie kleiner en goedkoper wordt, kijken meer mensen naar draagbare technologie als een overheersend interessegebied voor markten variërend van medisch tot militair tot fitness. Conventionele productietechnologie die gebruik maakt van "rigide" componenten vereist veel inspanning om het algehele onderdeel te miniaturiseren. Dit soort benadering leent zich echter niet voor RF-toepassingen waarbij de algehele geometrie afhangt van de frequentie en bepaalde beperkingen oplegt die niet gemakkelijk kunnen worden overwonnen.

In feite zijn veel van de draagbare apparaten die draadloze communicatie vereisen groot en omvangrijk, waardoor de bewegingsvrijheid, of op zijn minst het comfort, van de gebruiker wordt beperkt. Hier willen we illustreren hoe een technologie die het mogelijk maakt om geleidende sporen op stof te creëren, zowel ruimte als ontwerp kan bieden, terwijl het comfort en de flexibiliteit voor de eindgebruiker behouden blijft.

Het technologieproces van Pireta, dat het mogelijk maakt om geleidende sporen en patronen op textiel te creëren, is geschikt voor zowel natuurlijke als synthetische vezels. Dit gepatenteerde proces omvat vijf stappen:reinigen, sensibiliseren, printen van de zaadlaag, stroomloos coaten en passiveren. Dit zijn allemaal immersieprocessen, behalve het printen van de zaadlaag, wat de geometrische vrijheid biedt bij het creëren van het gewenste patroon.

Dit proces is ontworpen om schaalbaar te zijn en is geschikt voor grootschalige productie, waarbij sommige verwerkingsstappen worden gedeeld met roll-to-roll digitaal printen. De stof is gecoat met metaal op vezelniveau, waardoor het geleidend is zonder zijn inherente eigenschappen zoals grip, drapering, rekbaarheid en ademend vermogen te verliezen.

Een van de fundamentele structuren die betrokken zijn bij het evalueren van de geschiktheid van een proces voor RF-toepassingen zijn transmissielijnen. Zo werden korte transmissielijnsecties vervaardigd op katoenen boorweefsel met behulp van het Pireta-proces.

De transmissielijnen bestonden uit twee sporen van 5 mm breed met een onderlinge afstand van 2 mm. Er werden twee verschillende versies gefabriceerd, een met twee 50 mm lange transmissielijnen en een andere met twee 80 mm lange transmissielijnen. Dit soort transmissielijn, bekend als een coplanaire strook , is de elektromagnetische (EM) tegenhanger van een coplanaire golfgeleider. ¹ Ze werden vervaardigd door de afzetting van een zilverzaadlaag met behulp van het Pireta-proces, gevolgd door stroomloze koperbeplating en tenslotte een zilverlaagpassivering.

Na fabricage werden opnieuw geometrische metingen gedaan en bleek de spoorbreedte 5,5 mm te zijn met een tussenruimte van 1,7 mm. Vervolgens werd het stuk stof omzoomd, waardoor de SMA vrouwelijke coaxiale connectoren aan de uiteinden konden worden gesoldeerd (Fig. 1) . Omdat deze technologie de vezels gelijkmatig bedekt met metaal, is het weefseloppervlak geschikt voor solderen met gewoon lood of loodvrij soldeer, alleen afhankelijk van de tolerantie van de stof voor hoge temperaturen.

1. De transmissielijnen van 80 mm met SMA-connectoren zijn verbonden met de vector-netwerk-analyzerkabels.

VNA-metingen

Metingen werden uitgevoerd in het National Physical Laboratory met behulp van een Keysight PNA-X vector netwerkanalysator (VNA). De testfrequentie werd gevarieerd tussen 10 MHz en 10 GHz. De kabels die op de VNA waren aangesloten, maakten gebruik van precisieconnectoren van 3,5 mm, die geschikt zijn voor maximaal 33 GHz. ² (SMA-connectoren worden gewoonlijk gebruikt tot ongeveer 12 GHz, hoewel ze ook bij hogere frequenties kunnen worden gebruikt.) ³ Er is een short-open-load-thru (SOLT)-kalibratie uitgevoerd voordat de metingen werden uitgevoerd. ⁴ De meetresultaten (d.w.z. S-parameters) voor een van de 50 mm lange lijnen en een van de 80 mm lange lijnen worden getoond in Figuur 2 en 3 , respectievelijk.

2. Dit zijn de S-parameters (a en b) voor de 50 mm lange lijn.

3. De S-parameters (a en b) voor de 80 mm lange lijn zijn uitgezet.

Voor beide lijnen zijn de waarden van de reflectieparameters (S₁₁ en S₂₂ ) onthullen relatief slechte matching boven 100 MHz. Vanwege de resolutiebeperkingen van het printproces, en dit is een voorlopige test, is de impedantie van de lijnen bewust niet geoptimaliseerd. Het is echter mogelijk dat het implementeren van een impedantietransformator dit afstemmingsprobleem zou kunnen oplossen. Bovendien, in beide gevallen, S₁₁ en S₂₂ zijn bijna identiek bij elke frequentie, wat suggereert dat het soldeerproces voor de SMA-connectoren een goede herhaalbaarheid heeft.

De transmissieparameters (S₁₂ en S₂₁ ) voor beide lijnen acceptabele prestaties vertonen tot 2 GHz en mogelijk hoger, zodra het ontwerp is geoptimaliseerd om de mismatch van de VNA-testpoortconnectoren te verminderen. De transmissieverliezen, samengevat in termen van S₂₁ op specifieke frequenties voor alle vier de lijnen, worden weergegeven in de tabel .

S₂₁ metingen werden gedaan bij specifieke frequenties voor de vier lijnen.

Gebruik de onderstaande formule: ⁵

het is mogelijk om α'_d . te berekenen (d.w.z. de verzwakking per lengte-eenheid na correctie voor het mismatch-verlies) voor de twee lijnen. De resultaten geïllustreerd in Figuur 4 vertonen een zeer lage demping per lengte-eenheid voor elektrisch korte lijnstukken, d.w.z. ongeveer 0,20 dB/cm van 10 MHz tot 100 MHz en 0,32 dB/cm bij ongeveer 1 GHz.

4. De berekende demping per lengte-eenheid wordt gegeven voor de lijnen van 50 en 80 mm.

Toename in metallisatie

Om de prestaties van deze RF-transmissielijnen te verbeteren, werd een nieuwe reeks lijnen vervaardigd. Deze keer werd een koperen galvaniseerstap toegevoegd na de passiveringsstap om de ohmse verliezen te verminderen. Deze lijnen hadden een soortgelijk uiterlijk als de eerder vervaardigde lijnen, met een marginale toename in stijfheid.

Figuur 5 toont de gemeten demping per lengte-eenheid voor zowel de set transmissielijnen die zijn vervaardigd met behulp van het standaard Pireta stroomloze (EL) proces als de nieuwe set lijnen die zijn vervaardigd met een extra laag gegalvaniseerd (EP) koper. Ontwerp- en testparameters werden hetzelfde gehouden om een ​​directe vergelijking tussen de resultaten mogelijk te maken. De galvaniseerparameters waren 50 mA/cm ² gedurende 10 minuten.

5. Er werd een verzwakking per lengte-eenheid vergeleken tussen de stroomloze (EL) en de gegalvaniseerde (EP) 50- en 80-mm lijnen.

De resultaten laten een significante verbetering zien over het frequentiebereik van 10 tot 100 MHz. Boven 100 MHz beginnen de verliezen geleidelijk toe te nemen. Desalniettemin laten de resultaten een verbetering van 0,2 dB/cm zien in vergelijking met de stroomloze lijnen, wat resulteert in een verlies per lengte-eenheid van 0,3 dB/cm bij 1 GHz.

Er wordt aangenomen dat deze toename van het verlies te wijten is aan onvermijdelijke geometrische onvolkomenheden in de lijnen, de ruwe randen van de gedrukte kenmerken veroorzaakt door het weefpatroon en de ruwheid van de stof zelf. Het is logisch om aan te nemen dat een beter ontwerp en een fijnere stof de resultaten zouden verbeteren. De geschiktheid van de Pireta-technologie hangt af van de eisen van de toepassing. Door galvaniseren van koper kan de bruikbare frequentie worden uitgebreid tot minimaal 1 GHz.

Weefselnabijheid

6. Verzwakking wordt onthuld in het geval van contact met menselijk weefsel (vingers), met een afstandhouder tussen het weefsel en met de bedrukte stof gevouwen tussen de transmissielijn en het weefsel.

Om de Pireta-technologie op kleding te kunnen gebruiken, moet deze geschikt zijn voor gebruik bij contact met de huid. Het is te verwachten dat het lichaam, als een verliesgevend medium, de prestaties van de transmissielijnen zou verminderen. Dit is te zien in Figuur 6 , wanneer drie vingers direct onder de transmissielijnen werden geplaatst (Fig. 7a) .

7. De transmissielijnen van 80 mm zijn getest met een hand eronder (a), een isolatielaag tussen de hand en de lijnen (b), en een andere lijn eronder gevouwen en een hand eronder (c). (Zie figuur 6 voor de resultaten).

Een vergelijkbare prestatievermindering werd waargenomen wanneer een isolerende laag tussen de vingers en de lijnen werd geplaatst (Fig. 7b) . Als er echter nog een laag geleidende stof onder de lijnen wordt geplaatst, blijft de prestatie ongeveer hetzelfde (Fig. 7c) . Dit toont aan dat, gegeven het juiste ontwerp, het effect van het menselijk lichaam op de prestaties bijna kan worden weggenomen.

Niet-platte stof

8. Er werden vier verschillende testomstandigheden toegepast op de transmissielijnen van het weefsel:U-bocht (a), wiebelen (b), niet goed uitgelijnd (c) en 180° draaiing (d).

Ten slotte werden de lijnen getest onder verschillende vervormingsomstandigheden van het weefselsubstraat (d.w.z. plat, U-bocht, wiebelen, verkeerd uitgelijnd en gedraaid) (Fig. 8 ). Figuur 9 toont de resultaten voor al deze testomstandigheden. Er is heel weinig variatie in de gemeten prestaties als gevolg van deze verschillende testomstandigheden, met slechts iets grotere verliezen in de wiebelconfiguratie. Dit kan te wijten zijn aan de vorming van koppelingen tussen verschillende secties van de lijn, zoals gesuggereerd door de verschuiving in de waargenomen pieken voor deze transmissielijnen.

9. Dit is de gemeten demping per lengte-eenheid voor alle vijf testomstandigheden:vlak, U-bocht, wiebelen, verkeerd uitgelijnd en verdraaiing.

Resultaten en toekomstig werk

De gerapporteerde resultaten tonen de haalbaarheid aan van een proces om transmissielijnen op fabric te produceren voor RF-toepassingen tot ten minste 1 GHz en misschien zelfs daarbuiten. Dit komt overeen met het radiocommunicatiebereik van frequenties (AM:0,3 tot 3 MHz, FM:30 tot 300 MHz), RFID (3 tot 30 MHz) en draadloze communicatie (Wi-Fi/Bluetooth:2,4 GHz, satellietradio:1,4 /2.3GHz). Met de mogelijkheid om het effect van menselijk weefsel op de prestaties van deze transmissielijnen te verwijderen, zou deze benadering kunnen worden gebruikt voor draagbare RF-toepassingen. Dit wordt verder ondersteund door de waargenomen veerkracht tegen weefselvervorming, die zeer weinig effect had op het gemeten verlies in de lijnen.

Toekomstige stappen omvatten het optimaliseren van de vlakke structuur om de reflectieverliezen te verbeteren. Bovendien zullen de diëlektrische constante van het weefselsubstraat, de dikte van de geleidende lijnen en het niet-uniforme stroompad in vergelijking met conventionele massieve metalen spoorlijnen allemaal in aanmerking worden genomen.

Conclusies

Het is aangetoond dat de Pireta-technologie, hoewel nog in de kinderschoenen, een e-textieltechnologie kan leveren die voldoet aan de RF-vereisten van veel telecommunicatietoepassingen, waaronder het sub-6-GHz-einde van het 5G-spectrum. Tegelijkertijd heeft de technologie geen invloed op de textieleigenschappen van het handvat, de drapering en het ademend vermogen. Deze opwindende combinatie van eigenschappen biedt belangrijke kansen in veel toepassingsgebieden en opent mogelijk deuren naar nieuwe productontwikkelingen.

Referenties

1. R. Garg, I. Bahl, M. Bozzi, Microstriplijnen en slotlijnen . Londen:Artech House, 2013, p. 376-377.
2. IEEE Std 287-2007, "IEEE Standard for Precision Coaxial Connectors (DC to 110 GHz)."
3. IEC 60169-15:1979, "Radiofrequentieconnectoren. Deel 15:R.F. coaxiale connectoren met binnendiameter van buitenste geleider 4,13 mm (0,163 in) met schroefkoppeling – karakteristieke impedantie 50 ohm (type SMA).”
4. S. Rehnmark, "Over het kalibratieproces van automatische netwerkanalysatorsystemen", IEEE Trans. Over magnetrontheorie en -technieken , april 1974, p. 457-458.
5. F. L. Warner, A.E. Bailey, "Verzwakkingsmeting" in Microwave Measurements, Londen, VK:IEE, p. 132-134, 1989.