Atmungsaktive RF-E-Textilien: Flexible leitfähige Stoffe für tragbare Kommunikation

Von Mario D'Auria, John Greenwood und Chris Hunt bei Pireta, zusammen mit Martin Salter und Nick Ridler am National Physical Laboratory (NPL), präsentieren wir ein bahnbrechendes Verfahren zur direkten Abscheidung leitfähiger Leiterbahnen auf Stoff. Dieser Durchbruch eröffnet den Weg zu einem breiten Spektrum tragbarer Geräte.

Im RF-Bereich lag signifikanter Fokus auf Hochleistungssubstraten, die Verluste reduzieren und Betriebsbandbreite erweitern. Während viele Optionen nun verfügbar sind, sind sie vorwiegend starr oder nur halbflexibel und übersehen Märkte, wo extreme Leistung unnötig, aber mechanische Nachgiebigkeit essenziell ist.

Da Geräte schrumpfen und Kosten sinken, wird Wearable-Technologie zum zentralen Fokus für Branchen von Healthcare bis Defense bis Fitness. Konventionelle Fertigung basiert auf starren Komponenten, was Miniaturisierung herausfordernd macht, besonders für RF-Systeme, wo Geometrie eng an Frequenz gekoppelt ist.

Große, sperrige drahtlose Wearables limitieren Nutzerfreiheit und Komfort. Unsere leitfähige-Stoff-Technologie bietet räumliche und Designfreiheit, während sie Flexibilität und Atmungsaktivität bewahrt.

Piretas proprietäres Verfahren, kompatibel mit natürlichen und synthetischen Fasern, besteht aus fünf Immersionsschritten – Reinigung, Sensibilisierung, Seed-Layer-Druck, chemisches Metallabscheiden und Passivierung – neben einem druckbaren Seed-Layer, der geometrische Freiheit gibt.

Die Methode ist skalierbar und teilt Schritte mit Roll-to-Roll-Digitaldruck, was Großserienproduktion ermöglicht. Metall umhüllt die Fasern ohne Handle, Drape, Stretch oder Atmungsaktivität zu kompromittieren.

Transmissionsleitungen, essenziell für RF-Evaluation, wurden auf Baumwoll-Drill-Stoff mittels Pireta-Verfahren gefertigt. Zwei Coplanar-Strip-Sektionen (5 mm breite Leiterbahnen, 2 mm Abstand) wurden in Längen von 50 mm und 80 mm hergestellt. Die Leiterbahnen wurden zuerst mit Silber gesätet, dann mit Kupfer galvanisiert und schließlich mit einer Silberschicht passiviert.

Nach Fertigung maß die tatsächliche Leiterbahnbreite 5,5 mm und der Spalt 1,7 mm. SMA-Buchsen wurden an den Enden angelötet, ein Prozess, der durch die gleichmäßige Metallbeschichtung ermöglicht wurde.

VNA-Messungen

Messungen wurden am NPL mit einem Keysight PNA-X Vektornetzwerkanalyzer über 10 MHz–10 GHz durchgeführt. Präzisions-3,5-mm-Steckverbinder (bis 33 GHz spezifiziert) wurden verwendet; SMA-Steckverbinder sind bis ~12 GHz gängig. Eine Short-Open-Load-Thru-Kalibrierung ging den Tests voraus.

Abbildungen 2 und 3 zeigen die S-Parameter für die 50-mm und 80-mm-Leitungen. Reflexionskoeffizienten (S₁₁ und S₂₂) sind über 100 MHz schlecht, wahrscheinlich aufgrund von Druckauflösungslimits. Ein Impedanztrafo könnte diesen Mismatch mildern. Die nahezu identischen S₁₁ und S₂₂ Werte bestätigen gute Steckverbinder-Wiederholbarkeit.

Transmissionskoeffizienten (S₁₂, S₂₁) bleiben bis 2 GHz akzeptabel, was suggeriert, dass die Leitungen funktional sind, sobald der Mismatch adressiert ist. Tabelle 1 fasst den S₂₁ Verlust an ausgewählten Frequenzen zusammen.

Mit der Standard-Dämpfungsformel wurde der korrigierte Verlust pro Einheitslänge (α_d) berechnet (siehe Abbildung 4). Für kurze Abschnitte sind Verluste bemerkenswert niedrig: ~0,20 dB cm⁻¹ von 10 MHz bis 100 MHz, steigend auf ~0,32 dB cm⁻¹ nahe 1 GHz.

Verbesserte Metallisierung

Um ohmsche Verluste zu reduzieren, wurde nach Passivierung ein Kupfer-Galvanisierschritt hinzugefügt, was eine galvanisierte (EP) Variante neben den ursprünglichen chemischen (EL) Linien schuf. Beide Sets hatten ähnliches Erscheinungsbild mit leichter Steifigkeitszunahme.

Die EP-Linien zeigen 0,2 dB cm⁻¹ Verbesserung gegenüber EL über 10–100 MHz, mit allmählich steigenden Verlusten jenseits 100 MHz. Bei 1 GHz erreicht der EP-Verlust 0,3 dB cm⁻¹. Verbleibender Verlust wird geometrischen Unvollkommenheiten und Stoffrauhigkeit zugeschrieben; feinere Stoffe und verfeinerte Designs sollten die Leistung weiter verbessern.

Interaktion mit menschlichem Gewebe

Bei direktem Hautkontakt (Abbildung 7a) verschlechtert sich die Leistung aufgrund der verlustbehafteten Natur von Gewebe. Ein isolierender Spacer (Abbildung 7b) ergibt ähnliche Verluste, während eine zweite leitende Schicht unter der Leitung die Leistung wiederherstellt (Abbildung 7c). Diese Ergebnisse zeigen, dass Körpereffekte mit proper Design weitgehend gemildert werden können.

Einfluss von Stoffverformung

Abbildung 9 zeigt Dämpfung pro Einheitslänge über alle fünf Bedingungen. Die Leitungen zeigen minimale Variation, mit nur bescheidener Erhöhung in der Wackel-Konfiguration, wahrscheinlich durch Segment-Kopplung.

Ergebnisse und zukünftige Arbeit

Die Daten bestätigen, dass leitfähige-Stoff-Transmissionsleitungen effektiv bis mindestens 1 GHz arbeiten können, abdeckend AM, FM, RFID, Wi-Fi/Bluetooth und Satellitenradio-Bänder. Durch Neutralisierung des menschlichen Gewebeeinflusses und Resilienz gegen Verformung ist die Technologie gut geeignet für tragbare RF-Anwendungen. Zukünftige Arbeit wird die planare Geometrie optimieren, Substrat-Dielektrizitätskonstanten, Leitungsdicke untersuchen und nicht-uniforme Strompfade relativ zu konventionellen massiven Metallbahnen adressieren.

Fazit

Piretas E-Textil-Prozess, obwohl noch emerging, demonstriert die Fähigkeit, RF-Anforderungen vieler Telecom-Anwendungen zu erfüllen, einschließlich Sub-6-GHz-5G, während Textileigenschaften wie Handle, Drape und Atmungsaktivität bewahrt werden. Diese Dual-Fähigkeit eröffnet neue Wege für Produktinnovation über diverse Sektoren.

Referenzen

1. R. Garg, I. Bahl, M. Bozzi, Microstrip Lines and Slotlines. London: Artech House, 2013, S. 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, S. 457–458.
5. F. L. Warner, A. E. Bailey, „Attenuation measurement“, in Microwave Measurements, London, U.K.: IEE, S. 132–134, 1989.