透气射频电子纺织品：柔性导电面料赋能可穿戴通信

研究背景

由 Pireta 的 Mario D'Auria、John Greenwood、Chris Hunt 与英国国家物理实验室 (NPL) 的 Martin Salter、Nick Ridler 合作完成，本文展示将导电线路直接沉积于织物上的开创性方法，为广谱可穿戴设备铺平道路。

射频领域大量聚焦于降低损耗、拓展带宽的高性能基板。虽现有选项众多，但多为刚性或半柔性，忽略了不要求极致性能但极度依赖力学顺应性的市场。

随器件微型化与成本下降，可穿戴技术成为医疗、国防、健身等行业核心焦点。传统制造依赖刚性元件，使微型化极具挑战，尤其射频系统几何结构与频率强耦合。

庞大笨重的无线可穿戴设备限制用户自由与舒适度。Pireta 导电面料技术在保持柔韧透气的同时，赋予空间与设计自由度。

工艺流程

Pireta 专有工艺兼容天然与合成纤维，包含五步浸渍 —— 清洗、致敏、种子层印刷、无电沉积金属、钝化 —— 以及可印刷种子层赋予几何自由度。

工艺可规模化，与卷对卷数字印刷共享步骤，支持大规模量产。金属包覆纤维不损手感、垂感、伸展性或透气性。

传输线制备与测量

采用 Pireta 工艺在棉钻布上制备共面带传输线 (5 mm 线宽、2 mm 间距)，长度 50 mm 与 80 mm 两组。先镀银种子层，再镀铜，最后镀银钝化。

实测线宽 5.5 mm、间隙 1.7 mm。SMA 母头焊接于端部，得益于均匀金属包覆。

矢量网络分析仪 (VNA) 测量

在 NPL 使用 Keysight PNA-X VNA 测量 10 MHz–10 GHz。采用精密 3.5 mm 连接器 (额定 33 GHz)；SMA 通用至 ~12 GHz。测试前执行短-开-负载-穿透 (SOLT) 校准。

图 2-3 展示 50mm 与 80mm 线路的 S 参数。反射系数 (S₁₁、S₂₂) 在 100 MHz 以上恶化，可能因印刷分辨率限制。阻抗变换器可缓解失配。近似相同的 S₁₁/S₂₂ 验证连接器重复性良好。

传输系数 (S₁₂、S₂₁) 在 2 GHz 以内可接受，表明经失配校正后线路功能正常。表 1 汇总选定频率 S₂₁ 损耗。

按标准衰减公式计算单位长度修正损耗 (α_d) (见图 4)。短段损耗极低：10 MHz–100 MHz 约 0.20 dB/cm，1 GHz 附近升至约 0.32 dB/cm。

增强金属化

为降低欧姆损耗，钝化后增加铜电镀步骤，制得电镀 (EP) 变体对比原无电镀 (EL) 线路。外观相似，硬度微增。

EP 线路在 10–100 MHz 较 EL 改善 0.2 dB/cm，100 MHz 以上损耗渐增。1 GHz 时 EP 损耗达 0.3 dB/cm。剩余损耗归因几何缺陷与织物粗糙度；更细织物与优化设计可进一步改善。

人体组织交互

线路直接贴肤 (图 7a) 时性能因组织损耗下降。引入绝缘隔片 (图 7b) 损耗相近；在线路下增加第二导电层则恢复性能 (图 7c)。结果表明，合理设计可基本消除人体影响。

织物变形影响

图 9 展示五种工况下单位长度衰减。线路表现极小变化，仅扭动工况微增，可能因段间耦合。

结论与展望

数据证实导电织物传输线可有效工作至至少 1 GHz，覆盖 AM/FM、RFID、Wi-Fi/蓝牙、卫星广播频段。通过中和人体组织影响并展现抗变形韧性，该技术契合可穿戴射频应用。后续工作将优化平面几何、研究基板介电常数、线路厚度，解决相对传统实心金属线路的非均匀电流路径问题。

总结

Pireta 电子纺织品工艺虽处萌芽期，已展现满足含 sub-6 GHz 5G 在内众多电信应用射频需求的能力，同时保留织物手感、垂感、透气性。双重能力为跨领域产品创新开辟新径。

参考文献

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.