Ademende RF-E-Textielen: Flexibele geleidende stoffen voor draagbare communicatie

Door Mario D'Auria, John Greenwood, en Chris Hunt bij Pireta, samen met Martin Salter en Nick Ridler bij het National Physical Laboratory (NPL), presenteren we een pioniersmethode voor het aanbrengen van geleidende banen direct op stof. Deze doorbraak opent een pad naar een breed spectrum van draagbare apparaten.

In het RF-domein is veel inspanning gegaan naar hoogpresterende substraten die verliezen verminderen en operationele bandbreedte uitbreiden. Hoewel veel opties nu beschikbaar zijn, zijn ze voornamelijk rigide of slechts semi-flexibel, waarbij markten worden over het hoofd gezien waar extreme prestaties onnodig zijn maar mechanische compliantie essentieel is.

Naarmate apparaten krimpen en kosten dalen, wordt draagbare technologie een centrale focus voor industrieën variërend van gezondheidszorg tot defensie tot fitness. Conventionele fabricage vertrouwt op rigide componenten, wat miniaturisatie uitdaagt, vooral voor RF-systemen waar geometrie nauw gekoppeld is aan frequentie.

Grote, klonterende draadloze wearables beperken gebruikersvrijheid en comfort. Onze geleidende-stof technologie biedt ruimtelijke en ontwerpvrijheid terwijl flexibiliteit en ademing behouden blijven.

Pireta's eigen proces, compatibel met natuurlijke en synthetische vezels, bestaat uit vijf immersiestappen – reinigen, sensitiseren, zaadlaag printen, elektroless metaaldepositie, en passivatie – naast een printbare zaadlaag die geometrische vrijheid geeft.

De methode is schaalbaar en deelt stappen met rol-naar-rol digitale printproductie, wat grootschalige productie mogelijk maakt. Metaal bedekt de vezels zonder afbreuk aan handel, drap, rek of ademing.

Transmissielijnen, essentieel voor RF-evaluatie, werden gefabriceerd op katoen drill stof met het Pireta-proces. Twee coplanair strip secties (5 mm brede banen, 2 mm spacing) werden gemaakt in lengtes van 50 mm en 80 mm. De banen werden eerst gezaaid met zilver, daarna geplateerd met koper, en ten slotte gepassiveerd met een zilverlaag.

Na fabricatie meet de werkelijke baanbreedte 5,5 mm en de opening 1,7 mm. SMA vrouwelijke connectoren werden gesoldeerd aan de uiteinden, een proces gemaakt mogelijk door de uniforme metalen coating.

VNA Metingen

Metingen werden uitgevoerd bij NPL met een Keysight PNA-X vector netwerkanalyzer over 10 MHz–10 GHz. Precisie 3,5-mm connectoren (gewijzigd tot 33 GHz) werden gebruikt; SMA connectoren zijn gebruikelijk tot ~12 GHz. Een short-open-load-thru kalibratie voorafgaand aan de tests.

Figuren 2 en 3 tonen de S-parameters voor de 50-mm en 80-mm lijnen. Reflectiecoëfficiënten (S₁₁ en S₂₂) zijn slecht boven 100 MHz, waarschijnlijk door printresolutielimieten. Het implementeren van een impedantietransformator kan deze mismatch verhelpen. De bijna identieke S₁₁ en S₂₂ waarden bevestigen goede connector herhaalbaarheid.

Transmissiecoëfficiënten (S₁₂, S₂₁) blijven acceptabel tot 2 GHz, wat suggereert dat de lijnen functioneel zijn zodra mismatch aangepakt wordt. Tabel 1 vat de S₂₁ verlies bij geselecteerde frequenties samen.

Gebruikmakend van de standaard dempingsformule, werd het gecorrigeerde verlies per eenheidslengte (α_d) berekend (zie Figuur 4). Voor korte secties zijn verliezen opmerkelijk laag: ~0,20 dB cm⁻¹ van 10 MHz tot 100 MHz, stijgend tot ~0,32 dB cm⁻¹ bij 1 GHz.

Verbeterde Metallisatie

Om ohmse verliezen te verminderen, werd een koper electroplateringsstap toegevoegd na passivatie, wat een electroplated (EP) variant creëerde naast de oorspronkelijke electroless (EL) lijnen. Beide sets hadden een vergelijkbare uitstraling, met een lichte toename in stijfheid.

De EP lijnen tonen een 0,2 dB cm⁻¹ verbetering ten opzichte van EL over 10–100 MHz, met verliezen die geleidelijk stijgen boven 100 MHz. Bij 1 GHz bereikt de EP verlies 0,3 dB cm⁻¹. Resterend verlies wordt toegeschreven aan geometrische imperfecties en stofruwheid; fijne stoffen en verfijnde ontwerpen zouden de prestaties verder moeten verbeteren.

Interactie met Menselijk Weefsel

Wanneer de lijnen direct contact maken met de huid (Figuur 7a), degradeert prestaties door de verliesachtige aard van weefsel. Het introduceren van een isolerende spacer (Figuur 7b) levert vergelijkbare verliezen op, terwijl het toevoegen van een tweede geleidende laag onder de lijn de prestaties herstelt (Figuur 7c). Deze resultaten tonen aan dat, met een goed ontwerp, lichaamseffecten grotendeels gemitigeerd kunnen worden.

Effect van Stofvervorming

Figuur 9 toont demping per eenheidslengte over alle vijf condities. De lijnen vertonen minimale variatie, met slechts een bescheiden toename in de wiggle configuratie, waarschijnlijk door inter-segment koppeling.

Resultaten en Toekomstig Werk