E-têxtil respirável para aplicativos RF vestíveis

por Mario D’Auria, John Greenwood e Chris Hunt da Pireta, e Martin Salter e Nick Ridler do National Physical Laboratory (NPL). Esta nova tecnologia permite a criação de faixas condutoras no tecido, tornando-se uma solução potencial para uma ampla gama de vestíveis.

No mundo da RF, um esforço significativo foi feito para desenvolver substratos de alto desempenho para reduzir perdas e estender as frequências. Embora muitas opções de substrato de alto desempenho estejam agora no mercado, a maioria pode ser classificada como rígida ou, na melhor das hipóteses, semiflexível. Na verdade, nesta corrida de alto desempenho, muitos negligenciaram todos os mercados nos quais desempenho extremo e altas frequências não eram necessários. Em vez disso, esses mercados teriam se beneficiado de novos substratos compatíveis mecanicamente.

Nesta era em que a tecnologia está se tornando menor e mais barata, mais pessoas estão olhando para a tecnologia vestível como um campo de interesse predominante para mercados que vão desde médico a militar e fitness. A tecnologia de fabricação convencional que usa componentes “rígidos” exige um grande esforço para miniaturizar o componente geral. No entanto, este tipo de abordagem não se presta a aplicações de RF em que a geometria geral depende da frequência e impõe certas limitações que não podem ser facilmente superadas.

Na verdade, muitos dos dispositivos vestíveis que requerem comunicação sem fio são grandes e volumosos, limitando a liberdade de movimento, ou pelo menos o conforto, do usuário. Aqui, queremos ilustrar como uma tecnologia que permite a criação de faixas condutoras no tecido pode fornecer liberdade de espaço e design, mantendo o conforto e a flexibilidade para o usuário final.

O processo de tecnologia da Pireta, que possibilita a criação de trilhas e padrões condutores em tecidos, é adequado tanto para fibras naturais quanto sintéticas. Este processo patenteado envolve cinco etapas:limpeza, sensibilização, impressão da camada de sementes, revestimento sem eletrodos e passivação. Todos esses são processos de imersão, exceto a impressão da camada de sementes, que permite a liberdade geométrica na criação do padrão desejado.

Projetado para ser escalonável, esse processo é adequado para produção em grande escala, compartilhando algumas etapas de processamento com a impressão digital rolo a rolo. O tecido é revestido com metal no nível da fibra, tornando-o condutor sem perder suas propriedades inerentes, como alça, drapeado, elasticidade e respirabilidade.

Uma das estruturas fundamentais envolvidas na avaliação da adequação de um processo para aplicações de RF são as linhas de transmissão. Assim, seções curtas de linha de transmissão foram fabricadas em tecido de broca de algodão usando o processo Pireta.

As linhas de transmissão consistiam em dois trilhos de 5 mm de largura com 2 mm de separação entre eles. Duas versões diferentes foram fabricadas, uma com duas linhas de transmissão de 50 mm e outra com duas linhas de transmissão de 80 mm. Este tipo de linha de transmissão, conhecido como faixa coplanar , é a contraparte eletromagnética (EM) de um guia de onda coplanar. ¹ Eles foram fabricados pela deposição de uma camada de semente de prata pelo processo Pireta, seguido de galvanoplastia de cobre e finalmente uma passivação da camada de prata.

Após a fabricação, as medidas geométricas foram feitas novamente, e a largura da pista foi de 5,5 mm com uma lacuna de 1,7 mm. Posteriormente, o pedaço de tecido foi bainhado, permitindo que os conectores coaxiais fêmea SMA fossem soldados nas extremidades (Fig. 1) . Como esta tecnologia reveste uniformemente as fibras com metal, a superfície do tecido é adequada para soldagem usando chumbo comum ou solda sem chumbo, dependendo apenas da tolerância do tecido a altas temperaturas.



1. As linhas de transmissão de 80 mm com conectores SMA são conectadas aos cabos do analisador de rede vetorial.

Medições VNA

As medições foram realizadas no Laboratório Físico Nacional usando um analisador de rede vetorial PNA-X da Keysight (VNA). A frequência de teste variou entre 10 MHz e 10 GHz. Os cabos conectados ao VNA usavam conectores de precisão de 3,5 mm, com classificação de até 33 GHz. ² (Os conectores SMA são comumente usados ​​até aproximadamente 12 GHz, embora possam ser usados ​​em frequências mais altas.) ³ Uma calibração short-open-load-thru (SOLT) foi realizada antes de realizar as medições. ⁴ Os resultados da medição (ou seja, parâmetros S) para uma das linhas de 50 mm de comprimento e uma das linhas de 80 mm de comprimento são mostrados nas Figuras 2 e 3 , respectivamente.



2. Estes são os parâmetros S (aeb) para a linha de 50 mm.



3. Os parâmetros S (aeb) para a linha de 80 mm são plotados.

Para ambas as linhas, os valores dos parâmetros de reflexão (S ₁₁ e S ₂₂ ) revelam correspondência relativamente pobre acima de 100 MHz. Devido às limitações de resolução do processo de impressão, sendo este um teste preliminar, a impedância das linhas foi deliberadamente não otimizada. No entanto, é viável que a implementação de um transformador de impedância possa resolver este problema de correspondência. Além disso, em ambos os casos, S ₁₁ e S ₂₂ são quase idênticos em cada frequência, sugerindo que o processo de soldagem para os conectores SMA tem boa repetibilidade.

Os parâmetros de transmissão (S ₁₂ e S ₂₁ ) para ambas as linhas mostram um desempenho aceitável até 2 GHz e possivelmente além, uma vez que o design foi otimizado para reduzir a incompatibilidade dos conectores da porta de teste VNA. As perdas de transmissão, resumidas em termos de S ₂₁ em frequências específicas para todas as quatro linhas, são mostradas na tabela .



S ₂₁ as medições foram feitas em frequências específicas para as quatro linhas.

Usando a fórmula abaixo: ⁵



é possível calcular α ’ _d (isto é, a atenuação por comprimento de unidade após a correção para a perda de incompatibilidade) para as duas linhas. Os resultados ilustrados na Figura 4 mostram atenuação muito baixa por unidade de comprimento para seções eletricamente curtas de linha, isto é, aproximadamente 0,20 dB / cm de 10 MHz a 100 MHz e 0,32 dB / cm em cerca de 1 GHz.



4. A atenuação calculada por unidade de comprimento é fornecida para as linhas de 50 e 80 mm de comprimento.

Aumento na Metalização

Para melhorar o desempenho dessas linhas de transmissão de RF, um novo conjunto de linhas foi fabricado. Desta vez, uma etapa de eletrodeposição de cobre foi adicionada após a etapa de passivação para reduzir as perdas ôhmicas. Essas linhas tinham uma aparência externa semelhante às linhas fabricadas anteriormente, com um aumento marginal na rigidez.

Figura 5 mostra a atenuação medida por unidade de comprimento para o conjunto de linhas de transmissão fabricadas usando o processo padrão Pireta eletroless (EL) e o novo conjunto de linhas fabricadas com uma camada extra de cobre eletrodepositado (EP). Os parâmetros de design e teste foram mantidos os mesmos para permitir uma comparação direta entre os resultados. Os parâmetros de galvanoplastia foram 50 mA / cm ² Por 10 minutos.



5. Foi realizada uma comparação de atenuação por comprimento de unidade entre as linhas não eletrolíticas (EL) e galvanizadas (EP) de 50 e 80 mm.

Os resultados mostram uma melhora significativa na faixa de frequência de 10 a 100 MHz. Acima de 100 MHz, as perdas começam a aumentar gradativamente. No entanto, os resultados continuam revelando uma melhora de 0,2 dB / cm em comparação às linhas não eletrolíticas, resultando em uma perda por unidade de comprimento de 0,3 dB / cm a 1 GHz.

Acredita-se que esse aumento na perda se deva às inevitáveis ​​imperfeições geométricas das linhas, às arestas das características impressas causadas pelo padrão de tecelagem e à aspereza do próprio tecido. É lógico supor que um design melhor e um tecido mais fino melhorariam os resultados. A adequação da tecnologia Pireta depende dos requisitos da aplicação. Por eletrodeposição de cobre, a frequência utilizável pode ser estendida para pelo menos 1 GHz.

Proximidade do Tecido



6. A atenuação se manifesta nos casos de contato com o tecido humano (dedos), com espaçador entre o tecido e com o tecido estampado dobrado entre a linha de transmissão e o tecido.

Para que a tecnologia Pireta possa ser utilizada em roupas, ela deve ser adequada para uso em contato com a pele. É de se esperar que o corpo, sendo um meio com perdas, degradaria o desempenho das linhas de transmissão. Isso pode ser visto na Figura 6 , quando três dedos foram colocados diretamente sob as linhas de transmissão (Fig. 7a) .



7. As linhas de transmissão de 80 mm foram testadas com uma mão por baixo (a), uma camada de isolamento entre a mão e as linhas (b) e outra linha dobrada por baixo e uma mão por baixo (c). (Veja a Figura 6 para os resultados).

Degradação semelhante no desempenho foi observada quando uma camada isolante foi interposta entre os dedos e as linhas (Fig. 7b) . No entanto, se outra camada de tecido condutor for colocada sob as linhas, o desempenho permanece aproximadamente o mesmo (Fig. 7c) . Isso demonstra que, com o design certo, o efeito do corpo humano no desempenho quase pode ser removido.

Tecido não plano



8. Quatro diferentes condições de teste foram aplicadas às linhas de transmissão de tecido:U-bend (a), wiggle (b), desalinhado (c) e 180 ° twist (d).

Finalmente, as linhas foram testadas sob diferentes condições de distorção do substrato de tecido (isto é, plano, dobra em U, wiggle, desalinhado e torcido) ( Fig. 8 ) Figura 9 mostra os resultados de todas essas condições de teste. Há muito pouca variação no desempenho medido como resultado dessas diferentes condições de teste, com perdas apenas ligeiramente maiores na configuração de manobra. Isso pode ser devido à formação de acoplamentos entre os diferentes trechos da linha, como sugere o deslocamento dos picos observados para essas linhas de transmissão.



9. Esta é a atenuação medida por unidade de comprimento para todas as cinco condições de teste:plana, curva em U, mexida, desalinhada e torção.

Resultados e trabalho futuro

Os resultados relatados mostram a viabilidade de um processo para produzir linhas de transmissão em tecido para aplicações de RF a pelo menos 1 GHz e talvez além. Isso corresponde à faixa de frequências das comunicações de rádio (AM:0,3 a 3 MHz, FM:30 a 300 MHz), RFID (3 a 30 MHz) e comunicações sem fio (Wi-Fi / Bluetooth:2,4 GHz, rádio por satélite:1,4 / 2,3 GHz). Com a possibilidade de remover o efeito do tecido humano no desempenho dessas linhas de transmissão, essa abordagem poderia ser usada para aplicações de RF vestíveis. Isso é ainda suportado pela resiliência observada à distorção do tecido, que teve muito pouco efeito na perda medida nas linhas.

As etapas futuras incluirão a otimização da estrutura plana para melhorar as perdas por reflexão. Além disso, a constante dielétrica do substrato de tecido, a espessura das linhas condutoras e o caminho da corrente não uniforme em comparação com as linhas convencionais de metal sólido serão todos considerados.

Conclusões

Foi demonstrado que a tecnologia Pireta, embora ainda esteja em sua infância, pode fornecer uma tecnologia e-têxtil que atende aos requisitos de RF de muitas aplicações de telecomunicações, incluindo a extremidade sub-6 GHz do espectro 5G. Ao mesmo tempo, a tecnologia não afeta as características têxteis do cabo, da cortina e da respirabilidade. Esta excitante combinação de propriedades oferece oportunidades importantes em muitas áreas de aplicação e potencialmente abre portas para o desenvolvimento de novos produtos.

Referências

1. R. Garg, I. Bahl, M. Bozzi, Microstrip lines and slotlines . Londres:Artech House, 2013, p. 376-377.
2. IEEE Std 287-2007, “Padrão IEEE para conectores coaxiais de precisão (DC a 110 GHz).”
3. IEC 60169-15:1979, “Conectores de radiofrequência. Parte 15:R.F. conectores coaxiais com diâmetro interno do condutor externo 4,13 mm (0,163 pol.) com acoplamento de parafuso - impedância característica 50 ohms (tipo SMA). ”
4. S. Rehnmark, “On the Calibration Process of Automatic Network Analyzer Systems,” IEEE Trans. Sobre teoria e técnicas de microondas , Abril de 1974, p. 457-458.
5. F. L. Warner, A. E. Bailey, "Attenuation Measurements" in Microwave Measurements, London, U.K .:IEE, p. 132-134, 1989.