Atmungsaktives E-Textil für tragbare RF-Apps

von Mario D’Auria, John Greenwood und Chris Hunt von Pireta sowie Martin Salter und Nick Ridler vom National Physical Laboratory (NPL). Diese neuartige Technologie ermöglicht die Erstellung von Leiterbahnen auf Stoffen und ist damit eine potenzielle Lösung für eine Vielzahl von Wearables.

In der HF-Welt wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um Hochleistungssubstrate zu entwickeln, um Verluste zu reduzieren und die Frequenzen zu erweitern. Während viele Hochleistungssubstratoptionen mittlerweile auf dem Markt sind, können die meisten als starr oder bestenfalls halbflexibel klassifiziert werden. Tatsächlich haben viele in diesem Hochleistungsrennen alle Märkte übersehen, in denen extreme Leistung und hohe Frequenzen nicht erforderlich waren. Vielmehr hätten diese Märkte von neuen mechanisch nachgiebigen Substraten profitiert.

In dieser Zeit, in der die Technologie kleiner und billiger wird, betrachten immer mehr tragbare Technologien als vorherrschendes Interessengebiet für Märkte, die von Medizin über Militär bis hin zu Fitness reichen. Herkömmliche Fertigungstechnik mit „starren“ Bauteilen erfordert einen hohen Aufwand zur Miniaturisierung des Gesamtbauteils. Dieser Ansatz eignet sich jedoch nicht für HF-Anwendungen, bei denen die Gesamtgeometrie von der Frequenz abhängt und bestimmte Einschränkungen auferlegt, die nicht einfach überwunden werden können.

Tatsächlich sind viele der tragbaren Geräte, die eine drahtlose Kommunikation erfordern, groß und sperrig, was die Bewegungsfreiheit oder zumindest den Komfort des Benutzers einschränkt. Hier möchten wir veranschaulichen, wie eine Technologie, die die Erstellung von Leiterbahnen auf Stoff ermöglicht, sowohl Raum- als auch Designfreiheit bietet und gleichzeitig Komfort und Flexibilität für den Endbenutzer gewährleistet.

Das Technologieverfahren von Pireta, das es ermöglicht, Leiterbahnen und Muster auf Textilien zu erzeugen, ist sowohl für Natur- als auch für Kunstfasern geeignet. Dieser proprietäre Prozess umfasst fünf Schritte:Reinigung, Sensibilisierung, Keimschichtdruck, stromlose Beschichtung und Passivierung. Dies sind alles Tauchprozesse mit Ausnahme des Saatschichtdrucks, der die geometrische Freiheit bei der Erstellung des gewünschten Musters ermöglicht.

Dieses skalierbare Verfahren ist für die Massenproduktion geeignet und teilt sich einige Verarbeitungsschritte mit dem Rolle-zu-Rolle-Digitaldruck. Das Gewebe ist auf Faserebene mit Metall beschichtet, wodurch es leitfähig wird, ohne seine inhärenten Eigenschaften wie Griff, Fall, Dehnbarkeit und Atmungsaktivität zu verlieren.

Eine der grundlegenden Strukturen bei der Bewertung der Eignung eines Prozesses für HF-Anwendungen sind Übertragungsleitungen. So wurden kurze Übertragungsleitungsabschnitte auf Baumwolldrillgewebe unter Verwendung des Pireta-Verfahrens hergestellt.

Die Übertragungsleitungen bestanden aus zwei 5 mm breiten Spuren mit 2 mm Abstand zwischen ihnen. Es wurden zwei verschiedene Versionen hergestellt, eine mit zwei 50 mm langen Übertragungsleitungen und eine andere mit zwei 80 mm langen Übertragungsleitungen. Diese Art von Übertragungsleitung, bekannt als koplanarer Streifen , ist das elektromagnetische (EM) Gegenstück eines koplanaren Wellenleiters. ¹ Sie wurden durch Abscheidung einer Silberkeimschicht nach dem Pireta-Verfahren hergestellt, gefolgt von einer stromlosen Kupferplattierung und schließlich einer Passivierung der Silberschicht.

Nach der Fertigung wurden erneut geometrische Messungen vorgenommen und die Spurbreite wurde mit 5,5 mm bei einem Spalt von 1,7 mm festgestellt. Anschließend wurde das Gewebestück gesäumt, sodass die SMA-Koaxialbuchsen an den Enden angelötet werden konnten (Abb. 1) . Da diese Technologie die Fasern gleichmäßig mit Metall umhüllt, eignet sich die Gewebeoberfläche zum Löten mit handelsüblichem bleihaltigem oder bleifreiem Lot, nur abhängig von der Toleranz des Gewebes gegenüber hohen Temperaturen.

1. Die 80-mm-Übertragungsleitungen mit SMA-Steckern werden an die Vektor-Netzwerk-Analyzer-Kabel angeschlossen.

VNA-Messungen

Die Messungen wurden am National Physical Laboratory mit einem Keysight PNA-X Vektornetzwerkanalysator (VNA) durchgeführt. Die Testfrequenz wurde zwischen 10 MHz und 10 GHz variiert. Die an den VNA angeschlossenen Kabel verwendeten präzise 3,5-mm-Anschlüsse, die bis zu 33 GHz ausgelegt sind. ² (SMA-Anschlüsse werden üblicherweise bis etwa 12 GHz verwendet, können aber auch bei höheren Frequenzen verwendet werden.) ³ Vor der Durchführung der Messungen wurde eine Short-Open-Load-Thru (SOLT)-Kalibrierung durchgeführt. ⁴ Die Messergebnisse (d. h. S-Parameter) für eine der 50 mm langen Linien und eine der 80 mm langen Linien sind in Abbildungen 2 . dargestellt und 3 , bzw.

2. Dies sind die S-Parameter (a und b) für die 50 mm lange Linie.

3. Die S-Parameter (a und b) für die 80 mm lange Linie sind aufgetragen.

Für beide Linien sind die Werte der Reflexionsparameter (S₁₁ und S₂₂ ) zeigen eine relativ schlechte Anpassung oberhalb von 100 MHz. Aufgrund der Auflösungsbeschränkungen des Druckverfahrens, und es handelt sich hierbei um einen Vorversuch, wurde bewusst auf eine Optimierung der Linienimpedanz verzichtet. Es ist jedoch möglich, dass die Implementierung eines Impedanzwandlers dieses Anpassungsproblem lösen könnte. Außerdem ist in beiden Fällen S₁₁ und S₂₂ sind bei jeder Frequenz fast identisch, was darauf hindeutet, dass der Lötprozess für die SMA-Steckverbinder eine gute Wiederholbarkeit aufweist.

Die Übertragungsparameter (S₁₂ und S₂₁ ) für beide Leitungen eine akzeptable Leistung bis zu 2 GHz und möglicherweise darüber hinaus, sobald das Design optimiert wurde, um die Fehlanpassung von den VNA-Testport-Anschlüssen zu reduzieren. Die Übertragungsverluste, zusammengefasst in S₂₁ bei bestimmten Frequenzen für alle vier Linien, sind in der Tabelle . aufgeführt .

S₂₁ Messungen wurden bei bestimmten Frequenzen für die vier Linien durchgeführt.

Verwenden Sie die folgende Formel: ⁵

es ist möglich, α’_d . zu berechnen (d. h. die Dämpfung pro Längeneinheit nach der Korrektur des Fehlanpassungsverlusts) für die beiden Leitungen. Die Ergebnisse in Abbildung 4 zeigen für elektrisch kurze Leitungsabschnitte eine sehr geringe Dämpfung pro Längeneinheit, d. h. ca. 0,20 dB/cm von 10 MHz bis 100 MHz und 0,32 dB/cm bei ca. 1 GHz.

4. Die berechnete Dämpfung pro Längeneinheit ist für die 50- und die 80-mm-Länge angegeben.

Zunahme der Metallisierung

Um die Leistung dieser HF-Übertragungsleitungen zu verbessern, wurde ein neuer Leitungssatz hergestellt. Diesmal wurde nach dem Passivierungsschritt ein Kupfergalvanisierungsschritt hinzugefügt, um die ohmschen Verluste zu reduzieren. Diese Leinen hatten ein ähnliches äußeres Erscheinungsbild wie die zuvor hergestellten Leinen, mit einer geringfügigen Erhöhung der Steifigkeit.

Abbildung 5 zeigt die gemessene Dämpfung pro Längeneinheit sowohl für den Satz von Übertragungsleitungen, die unter Verwendung des standardmäßigen stromlosen Pireta-Prozesses (EL) hergestellt wurden, als auch für den neuen Satz von Leitungen, der mit einer zusätzlichen Schicht aus galvanisiertem (EP) Kupfer hergestellt wurde. Design- und Testparameter wurden gleich gehalten, um einen direkten Vergleich zwischen den Ergebnissen zu ermöglichen. Die Galvanisierungsparameter waren 50 mA/cm ² für 10 Minuten.

5. Ein Vergleich der Dämpfung pro Längeneinheit zwischen den stromlosen (EL) und den galvanisierten (EP) 50- und 80-mm-Leitungen wurde durchgeführt.

Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Verbesserung über den Frequenzbereich von 10 bis 100 MHz. Oberhalb von 100 MHz beginnen die Verluste allmählich zu steigen. Dennoch zeigen die Ergebnisse weiterhin eine Verbesserung von 0,2 dB/cm im Vergleich zu den stromlosen Leitungen, was zu einem Verlust pro Längeneinheit von 0,3 dB/cm bei 1 GHz führt.

Es wird angenommen, dass dieser Anstieg des Verlustes auf unvermeidliche geometrische Unvollkommenheiten in den Linien, die rauen Kanten der gedruckten Merkmale, die durch das Webmuster verursacht werden, und die Rauheit des Stoffes selbst zurückzuführen ist. Es ist logisch anzunehmen, dass ein besseres Design und ein feineres Gewebe die Ergebnisse verbessern würden. Die Eignung der Pireta-Technologie hängt von den Anforderungen der Anwendung ab. Durch Kupfergalvanik kann die nutzbare Frequenz auf mindestens 1 GHz erweitert werden.

Gewebenähe

6. Dämpfung zeigt sich bei Kontakt mit menschlichem Gewebe (Finger), bei einem Abstandshalter zwischen dem Gewebe und bei gefaltetem bedrucktem Gewebe zwischen Übertragungsleitung und Gewebe.

Damit die Pireta-Technologie auf Kleidung angewendet werden kann, muss sie für den Einsatz bei Hautkontakt geeignet sein. Es ist zu erwarten, dass der Körper als verlustbehaftetes Medium die Leistung der Übertragungsleitungen beeinträchtigt. Dies ist in Abbildung 6 zu sehen , wenn drei Finger direkt unter die Übertragungsleitungen gelegt wurden (Abb. 7a) .

7. Die 80-mm-Übertragungsleitungen wurden mit einer Hand darunter (a), einer Isolationsschicht zwischen der Hand und den Leitungen (b) und einer weiteren darunter gefalteten Leitung und einer Hand darunter (c) getestet. (Siehe Abbildung 6 für die Ergebnisse).

Ein ähnlicher Leistungsabfall wurde beobachtet, wenn eine Isolierschicht zwischen den Fingern und den Leitungen eingefügt wurde (Abb. 7b) . Wenn jedoch eine weitere Schicht leitfähigen Gewebes unter die Leitungen gelegt wird, bleibt die Leistung ungefähr gleich (Abb. 7c) . Dies zeigt, dass der Einfluss des menschlichen Körpers auf die Leistung bei richtigem Design fast eliminiert werden kann.

Nicht flacher Stoff

8. Vier verschiedene Testbedingungen wurden auf die Stoffübertragungsleitungen angewendet:U-Biegung (a), Wackeln (b), falsch ausgerichtet (c) und 180°-Drehung (d).

Schließlich wurden die Linien unter verschiedenen Verzerrungsbedingungen des Gewebesubstrats getestet (d. h. flach, U-gebogen, wackeln, falsch ausgerichtet und verdreht) (Abb. 8 ). Abbildung 9 zeigt die Ergebnisse für alle diese Testbedingungen. Durch diese unterschiedlichen Testbedingungen schwankt die gemessene Leistung nur sehr wenig, mit nur geringfügig größeren Verlusten in der Wackelkonfiguration. Dies kann an der Bildung von Kopplungen zwischen verschiedenen Abschnitten der Leitung liegen, wie die Verschiebung der beobachteten Spitzen für diese Übertragungsleitungen nahelegt.

9. Dies ist die gemessene Dämpfung pro Längeneinheit für alle fünf Testbedingungen:flach, U-Biegung, Wackeln, falsch ausgerichtet und verdreht.

Ergebnisse und zukünftige Arbeiten

Die berichteten Ergebnisse zeigen die Machbarkeit eines Verfahrens zur Herstellung von Übertragungsleitungen auf Gewebe für HF-Anwendungen bis mindestens 1 GHz und möglicherweise darüber hinaus. Dies entspricht dem Funkfrequenzbereich (AM:0,3 bis 3 MHz, FM:30 bis 300 MHz), RFID (3 bis 30 MHz) und drahtloser Kommunikation (Wi-Fi/Bluetooth:2,4 GHz, Satellitenfunk:1,4 /2,3 GHz). Mit der Möglichkeit, den Einfluss von menschlichem Gewebe auf die Leistung dieser Übertragungsleitungen zu beseitigen, könnte dieser Ansatz für tragbare HF-Anwendungen verwendet werden. Dies wird weiter unterstützt durch die beobachtete Widerstandsfähigkeit gegenüber Gewebeverzerrung, die nur sehr geringe Auswirkungen auf den gemessenen Verlust in den Leitungen hatte.

Zukünftige Schritte umfassen die Optimierung der planaren Struktur, um die Reflexionsverluste zu verbessern. Außerdem werden die Dielektrizitätskonstante des Gewebesubstrats, die Dicke der Leiterbahnen und der ungleichmäßige Strompfad im Vergleich zu herkömmlichen Vollmetall-Leiterbahnen berücksichtigt.

Schlussfolgerungen

Es hat sich gezeigt, dass die Pireta-Technologie, obwohl sie noch in den Kinderschuhen steckt, eine E-Textil-Technologie liefern kann, die die HF-Anforderungen vieler Telekommunikationsanwendungen, einschließlich des Sub-6-GHz-Endes des 5G-Spektrums, erfüllt. Gleichzeitig beeinträchtigt die Technologie nicht die textilen Eigenschaften von Griff, Fall und Atmungsaktivität. Diese spannende Kombination von Eigenschaften bietet wichtige Chancen in vielen Anwendungsbereichen und öffnet potenziell Türen für neue Produktentwicklungen.

Referenzen

1. R. Garg, I. Bahl, M. Bozzi, Mikrostreifen- und Schlitzlinien . London: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, „Hochfrequenzsteckverbinder. Teil 15:R.F. Koaxialsteckverbinder mit Innendurchmesser Außenleiter 4,13 mm (0,163 in) mit Schraubkupplung – Wellenwiderstand 50 Ohm (Typ SMA).“
4. S. Rehnmark, „Über den Kalibrierungsprozess von automatischen Netzwerkanalysatorsystemen“, IEEE Trans. Über Mikrowellentheorie und -techniken , April 1974, p. 457-458.
5. F. L. Warner, A. E. Bailey, „Dämpfungsmessung“ in Microwave Measurements, London, UK:IEE, p. 132-134, 1989.