用于射频可穿戴应用的透气电子纺织品

由 Pireta 的 Mario D'Auria、John Greenwood 和 Chris Hunt 以及国家物理实验室 (NPL) 的 Martin Salter 和 Nick Ridler 撰写。这种新技术允许在织物上创建导电轨道，使其成为各种可穿戴设备的潜在解决方案。

在射频领域，人们付出了巨大的努力来开发高性能基板以减少损耗和扩展频率。虽然现在市场上有许多高性能基材选项，但大多数都可以归类为刚性的，或者充其量是半柔性的。事实上，在这场高性能竞赛中，许多人忽略了所有不需要极端性能和高频的市场。相反，这些市场会受益于新的机械兼容基板。

在这个技术变得越来越小、越来越便宜的时代，越来越多的人将可穿戴技术视为医疗、军事和健身等市场的主要关注领域。使用“刚性”组件的传统制造技术需要付出大量努力来使整个组件小型化。然而，这种方法并不适用于整体几何形状取决于频率的 RF 应用，并施加了某些难以克服的限制。

事实上，许多需要无线通信的可穿戴设备又大又笨重，限制了用户的移动自由，或者至少是舒适度。在这里，我们想说明一种允许在织物上创建导电轨道的技术如何提供空间和设计的自由，同时为最终用户保持舒适性和灵活性。

Pireta 的技术工艺可以在纺织品上创建导电轨道和图案，适用于天然和合成纤维。这一专有工艺包括五个步骤：清洁、敏化、种子层印刷、化学镀膜和钝化。除了种子层印刷外，这些都是浸入式工艺，这允许创建所需图案的几何自由。

该工艺设计为可扩展，适合大规模生产，与卷对卷数字印刷共享一些加工步骤。该面料在纤维层面上涂有金属，使其具有导电性，同时又不失去其固有的手感、悬垂性、拉伸性和透气性等特性。

评估射频应用过程的适用性所涉及的基本结构之一是传输线。因此，使用Pireta工艺在棉织物上制作了短传输线段。

传输线由两条 5 毫米宽的轨道组成，轨道之间的间距为 2 毫米。制造了两种不同的版本，一种带有两条 50 毫米长的传输线，另一种带有两条 80 毫米长的传输线。这种传输线，称为共面带 , 是共面波导的电磁 (EM) 对应物。 ¹ 它们是通过使用 Pireta 工艺沉积银种子层，然后进行化学镀铜，最后进行银层钝化来制造的。

制造完成后，再次进行几何测量，发现轨道宽度为 5.5 毫米，间隙为 1.7 毫米。随后，这块织物被卷边，允许 SMA 母同轴连接器焊接到末端（图 1） .由于该技术将金属均匀地包覆在纤维上，因此织物表面适合使用普通的有铅或无铅焊料进行焊接，具体取决于织物对高温的耐受性。

1.带有 SMA 连接器的 80 毫米传输线连接到矢量网络分析仪电缆。

VNA 测量

测量是在国家物理实验室使用 Keysight PNA-X 矢量网络分析仪 (VNA) 进行的。测试频率在 10 MHz 和 10 GHz 之间变化。连接到 VNA 的电缆使用精密 3.5 毫米连接器，额定频率高达 33 GHz。 ² （SMA 连接器的常用频率最高约为 12 GHz，但也可用于更高频率。） ³ 在执行测量之前进行了短路开路负载直通 (SOLT) 校准。 ⁴ 50 毫米长线之一和 80 毫米长线之一的测量结果（即 S 参数）显示在图 2 和3 , 分别。

2.这些是 50 毫米长线的 S 参数（a 和 b）。

3.绘制了 80 毫米长线的 S 参数（a 和 b）。

对于两条线，反射参数（S11 和 S22）的值显示 100 MHz 以上的匹配相对较差。由于印刷工艺的分辨率限制，而且这是初步测试，因此刻意没有优化线路的阻抗。然而，实现阻抗变换器可以解决这个匹配问题是可行的。此外，在这两种情况下，S11和S22在每个频率上几乎相同，表明SMA连接器的焊接工艺具有良好的可重复性。

两条线路的传输参数（S12 和 S21）都显示出可接受的性能，最高可达 2 GHz，甚至可能更高，一旦设计经过优化以减少 VNA 测试端口连接器的失配。 表格中显示了所有四条线路在特定频率下以 S21 表示的传输损耗 .

S21 测量是在四行的特定频率下进行的。

使用以下公式： ⁵

可以计算两条线的 α'd（即校正失配损失后每单位长度的衰减）。结果显示在图 4 对于电气短的线路段，每单位长度的衰减非常低，即从 10 MHz 到 100 MHz 约为 0.20 dB/cm，在 1 GHz 附近约为 0.32 dB/cm。

4.给出了 50 和 80 毫米长线路的单位长度衰减计算值。

增加金属化

为了提高这些射频传输线的性能，制造了一组新的传输线。这一次，在钝化步骤之后增加了电镀铜步骤以减少欧姆损耗。这些线的外观与之前制造的线相似，只是刚度略有增加。

图 5 显示了使用标准 Pireta 无电镀 (EL) 工艺制造的一组传输线和使用额外的电镀 (EP) 铜层制造的一组新传输线的每单位长度的测量衰减。设计和测试参数保持相同，以便直接比较结果。电镀参数为50 mA/cm ² 10分钟。

5.对化学镀 (EL) 和电镀 (EP) 50 和 80 毫米线之间的单位长度衰减进行了比较。

结果表明，在 10 到 100 MHz 的频率范围内有显着改善。在 100 MHz 以上，损耗逐渐开始增加。尽管如此，结果仍然表明与化学镀线相比提高了 0.2 dB/cm，导致 1 GHz 下每单位长度的损耗为 0.3 dB/cm。

人们认为，这种损失的增加是由于线条中不可避免的几何缺陷、由编织图案引起的印刷特征的粗糙边缘以及织物本身的粗糙度。假设更好的设计和更精细的面料会改善结果是合乎逻辑的。 Pireta 技术的适用性取决于应用的要求。通过电镀铜，可用频率至少可以扩展到1GHz。

组织接近

6.在接触人体组织（手指）、组织之间有间隔物以及在传输线和组织之间折叠的印刷织物的情况下，会显示衰减。

要将 Pireta 技术用于服装，它必须适合与皮肤接触时使用。可以预料，主体是一种有损介质，会降低传输线的性能。这可以在图 6 中看到 ，当三个手指直接放在传输线下方时（图 7a） .

7.测试 80 毫米传输线时，一只手放在 (a) 下方，手和线路之间有绝缘层 (b)，另一条线在下方折叠，一只手在下方 (c)。 （结果见图 6）。

当绝缘层插入手指和线路之间时，观察到类似的性能下降（图 7b） .但是，如果在线路下方放置另一层导电织物，则性能保持大致相同（图 7c） .这表明，如果设计正确，人体对性能的影响几乎可以消除。

非平面面料

8.对织物传输线应用了四种不同的测试条件：U 形弯曲 (a)、摆动 (b)、未对准 (c) 和 180° 扭曲 (d)。

最后，在织物基材的不同变形条件（即平坦、U 形弯曲、摆动、错位和扭曲）下测试线条（图 8 ）。 图 9 显示了所有这些测试条件的结果。由于这些不同的测试条件，测得的性能几乎没有变化，摆动配置的损失仅略大。这可能是由于传输线的不同部分之间形成了耦合，正如这些传输线观察到的峰值的偏移所表明的那样。

9.这是在所有五种测试条件下测量的单位长度衰减：平坦、U 形弯曲、摆动、未对准和扭曲。

结果和未来工作

报告的结果显示了在织物上生产传输线的工艺的可行性，用于至少 1 GHz 甚至更高频率的射频应用。这对应于无线电通信频率范围（AM：0.3 至 3 MHz，FM：30 至 300 MHz）、RFID（3 至 30 MHz）和无线通信（Wi-Fi/蓝牙：2.4 GHz，卫星无线电：1.4 /2.3 GHz）。由于可以消除人体组织对这些传输线性能的影响，这种方法可用于可穿戴射频应用。观察到的织物变形回弹力进一步支持了这一点，这对线中测量的损耗影响很小。

未来的步骤将包括优化平面结构以改善反射损耗。此外，织物基板的介电常数、导线的粗细以及与传统固体金属轨迹线相比的非均匀电流路径都将被考虑在内。

结论

已经证明 Pireta 技术虽然仍处于起步阶段，但可以提供满足许多电信应用（包括 5G 频谱低于 6GHz 端）的射频要求的电子纺织品技术。同时，该技术不影响手感、悬垂性和透气性的纺织特性。这种令人兴奋的特性组合为许多应用领域提供了重要机会，并可能为新产品开发打开大门。

参考文献

1. R。 Garg、I. Bahl、M. Bozzi，微带线和槽线 .伦敦：Artech House，2013 年，第 1 页。 376-377。
2. IEEE Std 287-2007，“IEEE 精密同轴连接器标准（DC 至 110 GHz）。”
3. IEC 60169-15:1979，“射频连接器。第 15 部分：R.F.外导体内径为 4.13 毫米（0.163 英寸）的同轴连接器，带有螺纹耦合 – 特性阻抗为 50 欧姆（SMA 型）。”
4. S。 Rehnmark，“关于自动网络分析仪系统的校准过程”，IEEE Trans。论微波理论与技术 ，1974 年 4 月，第。 457-458。
5. F. L. Warner, A. E. Bailey，微波测量中的“衰减测量”，英国伦敦：IEE，p. 132-134，1989 年。